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Sichere virtuelle Technologien für die Industrie von morgen

Künstliche Intelligenz

Sichere virtuelle Technologien für die Industrie von morgen

Die Fabrik der Zukunft soll vor allem intelligent, ressourcenschonend und vernetzt sein. Am Deutschen Forschungszentrum für Künstliche Intelligenz (DFKI) wird der Netzwerkgedanke intelligenter Objekte in innovativer Projektarbeit verankert und so die Roadmap zur 4. Industriellen Revolution um vernetzte, sichere und virtuelle Technologien erweitert.

Anwendung zur Planung, Verifikation und Simulation von Industrieanlagen. Bild: DFKI GmbH

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 vernetzte cyber-physische Systeme stützt. Kollaborative Roboter, kurz ‚Co-Bots‘, arbeiten mit dem Menschen Hand in Hand. Die Vision: Intelligente, vernetzte Maschinen unterstützen den Menschen, stimmen sich mit ihm als auch mit anderen Maschinen ab und passen sich flexibel an neue Produkte und Produktionsziele an. Möglich gemacht wird dies durch moderne Software, Robotertechnologie sowie dazu passende Visualisierungs- und Interaktionstechniken. Das alles miteinander verbunden über schnelle und vor allem sichere Netzwerke und Protokolle.

Simulierte Realität

Das Deutsche Forschungszentrum für Künstliche Intelligenz GmbH (DFKI) ist auf dem Gebiet innovativer Softwaretechnologien und deren Einsatz eine der führenden Forschungseinrichtungen. International zählt die Wissenschaftswelt das DFKI zu den wichtigsten ‚Centers of Excellence‘. So werden am DFKI-Forschungsbereich Agenten und Simulierte Realität (ASR) sichere, virtuelle Technologien zur Simulation, Interaktion und Vernetzung für industrielle Anwendungen erforscht und entwickelt. Dabei arbeitet ASR häufig mit Partnern aus großen sowie mittelständischen Industrieunternehmen, Wissenschaft und Forschung zusammen.

Zu den Auftraggebern gehören neben der Industrie unter anderem das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF), das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) sowie die Europäische Union (EU). DFKI-Projekte adressieren ein Gesamtspektrum; regelmäßig gelingt der Brückenschlag von der anwendungsorientierten Grundlagenforschung bis hin zur markt- und kundenorientierten Entwicklung innovativer Lösungen. Am Beispiel dreier klassischer Phasen der Produktrealisierung – Entwurf, Fertigung und Anwendung – zeigen nachfolgende Projekte des DFKI-Forschungsbereichs ASR einen Querschnitt anwendungsorientierter, intelligenter Basistechnologien zur vorrückenden Realisierung der Vision von Industrie 4.0.

Intelligente Produkte

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-Internet-Standard vorgeschlagene Technologie integriert interaktive 3D-Modelle direkt in eine HTML5-Webseite, visualisiert die Daten verteilt und ermöglicht dem Nutzer die Interaktion. Aus dem ‚FI-WARE‘-Programm der EU rühren viele der Bausteine für die dienstorientierte Anwendung. Der Entwicklung dieser Bausteine folgt die Freigabe: Als Open Source steht der Quellcode der Öffentlichkeit ohne Einschränkungen zur Verfügung. Erste Anwendungen kommen schon heute in Industrieprojekten der Branchen Automobilbau und Bauwirtschaft zum Einsatz.

Intelligente Fertigung

Zukünftige Produktionsanlagen, Maschinen und Roboter passen sich, aufgrund ihrer starken Vernetzung, innerhalb kürzester Zeit an geänderte Fertigungs- und Planungsziele an. Eingesparte Kosten und erhöhte Qualität der Produktion resultieren in einem mitunter entscheidenden Wettbewerbsvorteil. Als Beispiel mag hier ein mittels Dual Reality erstellter, virtueller Zwilling der realen Anlagen dienen. 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. Im Projekt Collaborate 3D (BMBF) schaffen Forscher neue Ansätze und Methoden zur kollaborativen Konfiguration und Simulation von Produktionsanlagen.

Sichere Kommunikation

Die formale Verifikation der Anlagenfunktionalität sichert und verbessert dabei nicht nur den Fertigungsprozess selbst, sondern es werden mittels Multiagententechnologie auch 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‘). Die Middleware erlaubt die Echtzeit-Kommunikation hochperformanter Dienste mit Blick auf große Datenmengen (Big Data) und Hardwarearchitekturen der nächsten Generation.

Intelligente Anwendungen

Für den Kunden kann eine individualisierte Massenproduktion viele Vorteile bieten. Nach eigenem Vorstellungen gestaltet er sein Wunschprodukt, einfach, vorab und online mittels webbasierter 3D-Konfiguration. Auch die Hausautomation kann deutlich von diesen Techniken profitieren. 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 gelingt die flexible Vernetzung beliebiger Sensoren und Geräte, ihre Visualisierung und Konfiguration sowie deren Optimierung zum Sparen von Energie. Aus Sicht der Forschung bietet das Gesamtvorhaben zahlreiche Anknüpfungspunkte für weitergehende Untersuchungen und Entwicklungen, welche die Bedienung von technisch komplexen Gebäuden auch für Nicht-Fachleute transparent, sicher und einfach gestalten sollen.

Die Realisierung der Vision

Die hier angesprochenen Technologien geben adäquate Werkzeuge zur erfolgreichen Bewältigung aller Facetten des steigenden Wettbewerbs und damit zur vielversprechenden Umsetzung der Zukunftsvision Industrie 4.0 an die Hand. Sie sind auf das Werksumfeld übertragbar und finden in zahlreichen Branchen Verwendung. Nicht zuletzt können sie einen entscheidenden Beitrag zur Umsetzung der Vision des ‚Future Internet‘ leisten: Im dynamischen Produktionsprozess der Fabrik der Zukunft und schlussendlich in der Fertigung digital veredelter, intelligenter Produkte.