ZUKÜNFTIGE HERAUSFORDERUNGEN INTERNET DER DINGE & INDUSTRIE 4.0

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1 ZUKÜNFTIGE HERAUSFORDERUNGEN INTERNET DER DINGE & INDUSTRIE 4.0 Prof. Dr. Michael ten Hompel 17. VLB-Logistikfachkongress Hagen 2014 Fraunhofer Seite 1

2 Produktion und Logistik wandeln sich Globaler Wirtschaftswandel Verschiebung von Wirtschafts- und Logistikströmen BRIC-Staaten Gesellschaftlicher Wandel Individualisierung, demographischer Wandel, Urbanisierung, Klimawandel Technologischer Wandel Internet der Dinge und Dienste, 4. industrielle Revolution Gefördert durch: Fraunhofer Seite 2

3 Logistik in D Drittgrößte Branche ~25% des EU-Umsatzes Bundesvereinigung Logistik BVL 2014 Fraunhofer Seite 3

4 Steigender Kostendruck und wachsende Kundenanforderungen bewegen die Logistik in 2014 Staatliche Regulierung Globalisierung steigende Zahl der Beteiligten in der Supply Chain Auf- und Ausbau von Kooperationen Zustand der Infrastruktur Digitalisierung und Automatisierung der Arbeitsabläufe Standardisierung von Prozessen zunehmender Fachkräftemangel Steigende Kundenanforderungen steigender Kostendruck 0% 20% 40% 60% 80% Bundesvereinigung Logistik BVL 2014 Fraunhofer Seite 4

5 Gesamtumsatz und Online-Umsatz des Versandhandels 2013 [Mrd. Euro] % ecommerce-anteil % ecommerce-anteil 26,30 27,60 28,60 29,10 30,30 34,00 39,30 27,60 43,50 33, , ,00 10,90 13,40 15,50 18, * Versandhandelsumsatz Davon online Quelle: bvh *Hochrechnung Fraunhofer Seite 5

6 Analytics and Big Data Bundesvereinigung Logistik BVL 2013 Fraunhofer Seite 6

7 ,64 16,73 17,42 18,06 18,1 18,13 Umsatzentwicklung in der Getränkeherstellung in D [Mrd. ] s 2014p Statistisches Bundesamt; IMF Statista 2014 Fraunhofer Seite 7

8 Trend: Individualisierung von Produkt und Verpackung Trend «Craft Beer». «Deutschlands Brauer stehen für eine weltweit einzigartige Vielfalt und Qualität von Bieren. Woche für Woche kommen in Deutschland neue, hochwertige Biere auf den Markt. Nie zuvor hatten die Verbraucher eine so große Auswahl wie heute.»³ An die 2000 verschiedene Mehrweg-Kästen und ca. 60 Mehrwegflaschen- Sorten allein im Biersegment.* Bei den Top-50-Brauereien liegt der Anteil von 0,5-l-Individualflaschen bereits bei 22 Prozent.² 800 Mio Kästen/a und über 17 Mrd. Flaschen/a (0,5 und 0,33 l).² *Spiegelmacher, K.: Brauwelt NR (2012) ²Fontaine, J.: Quo Vadis Mehrweg, 15. VLB Logistik-Fachtagung, ³Eichele, H.: Pressemitteilung Deutscher Brauer-Bund Fraunhofer Seite 8

9 1,28 1,25 1,56 1,73 Online-Käufer, die Lebensmittel oder Getränke über das Internet kaufen [D Mio.] 2 1,8 1,6 1,4 1,2 1 0,8 0,6 0,4 0,2 0 Diese Statistik zeigt das Ergebnis einer Umfrage in Deutschland zum Kauf von Lebensmitteln und Getränken über das Internet in den Jahren 2010 bis Im Jahr 2012 gab es in der deutschen Bevölkerung von 14 bis 69 Jahren rund 1,56 Millionen Personen, die Lebensmittel oder Getränke über das Internet kauften. Informationen zur gesamten Stichprobe: 2010: Befragte, Hochrechnung auf 54,21 Mio. Personen 2011: Befragte, Hochrechnung auf 53,54 Mio. Personen 2012: Befragte, Hochrechnung auf 53,03 Mio. Personen 2013: Befragte, Hochrechnung auf 52,60 Mio. Personen Weitere Info. Quelle: IfD Allensbach, ACTA-Online Fraunhofer Seite 9

10 «Explosives» WACHSTUM Jede Dekade mal mehr logistische Daten Je Dekade werden mal mehr logistische Daten erzeugt und verarbeitet [Fraunhofer IML] 2000 war das Internet 21 TByte groß [Google, Pingdom] Es könnte heute auf 4 DIN A4 Seiten gespeichert werden erzeugtes Datenvolumen: 2,8 Zettabyte². ~ Anzahl der Sandkörner aller Stränden der Erde. ²EMC, Spiegel online, Fraunhofer Seite 10

11 Die wichtigsten Trends in der ITK-Branche 2013/14 [ITK D] Industrie 4.0 / Internet der Dinge 2014 smart Grids/ Smart Metering Collaboration/ Enterprise 2.0 Enterprise Content / BP Management IT-Outsourcing Social Media/ Social Business Bring Your Own Device (BYOD) IT-Sicherheit Big Data / Datability Mobile Anwendungen Cloud Computing Quelle: BITKOM, bitkom.org 2013&14 Fraunhofer Seite 11

12 Die drei klassischen «Industrielle Revolutionen» 18.Cen. 18.Cen. 20.Cen. Mechanisierung Elektrifizierung Arbeitsteilung Automation 1. Einführung mechanischer Produktionsanlagen 1712 Erfindung der Dampfmaschine 1784 Erfindung mechanischer Webstuhl (E. Cartwright) 2. Arbeitsteilige Massenproduktion und Elektrizität 1840 Telegraphie und ab ca Telefonie 1920er Taylorismus 3. Automatisierung von Produktionsprozessen 1971 erster Mikrocomputer (Altair 8800) 1976 Apple I (S. Jobs und S. Wozniak) Altair 8800 Wikipedia, User: Fedi/Test Fraunhofer Seite 12

13 Die vier «Industriellen Revolutionen» 18.Cen. 19.Cen. 20.Cen. 21.Cen. Mechanisierung Elektrifizierung Arbeitsteilung Automation Cyber Physical Systems 1. Einführung mechanischer Produktionsanlagen 1712 Erfindung der Dampfmaschine 1784 Erfindung mechanischer Webstuhl (E. Cartwright) 2. Arbeitsteilige Massenproduktion und Elektrizität 1840 Telegraphie und ab ca Telefonie 1920er Taylorismus 3. Automatisierung von Produktionsprozessen 1971 erster Mikrocomputer (Altair 8800) 1976 Apple I (S. Jobs und S. Wozniak) 4. Cyber Physical Systems & Internet der Dinge 1998 Spring Meeting AutoID (IML) + AutoID Labs (MIT) 2000er Das Internet der Dinge 2010 Zellulare Logistik 2020 Autonome Interaktion und Virtualisierung Fraunhofer Seite 13

14 Das logistische Grenzleistungs-Paradoxon Die (intralogistische) Planung erfolgt im Allgemeinen auf Basis einer Grenzleistungsberechnung. Die resultierende Anlage wird beispielsweise für einen definierten, maximalen Durchsatz ausgelegt. Ändern sich die Anforderungen, muss die Anlage umgeplant werden. Das hydrostatische Paradoxon als Bild für das logistische Paradoxon: Unabhängig davon, was zuvor passiert, bleibt Kraft und Durchsatz an einer definierten Stelle des Materialflusses gleich. Fraunhofer Seite 14

15 Transformation der Geschäftsprozesse Migration der cyberphysischen Systeme Konventionelles System Klassische Automatisierungspyramide Hierarchisch organisiert Deterministisch Systemanpassung durch Customizing Applikationsspezifische Lösung Industrie 4.0 Flexibel und wandelbar Nicht deterministisch Hochgradig dezentralisiert Multi-Agenten-Steuerung Cloud-basiert Fraunhofer Seite 15

16 Virtualisierung der Prozesse in der Cloud Dezentralisierung durch cyberphysische Systeme Einführung Industrie 4.0: Virtualisierung Cloud Logistics Mall Dezentralisierung: CPS inbin Fraunhofer Seite 16

17 Transformation der Geschäftsprozesse Migration der cyberphysischen Systeme Einführung Industrie 4.0: Transformation der Organisation Migration Cyberphysischer Systeme Fraunhofer Seite 17

18 Mission und Strategie Industrie 4.0 Agenten + vertikale und horizontale Vernetzung Supply Chain Management und Kollaboration in Wertschöpfungsnetzen Services und Business Objects in der Cloud CPS startet BOs CPS startet Services Tracking & Tracing Kommunikation Autonome cyberphysische Systeme Echtzeitfähige Vernetzung auf Basis cyberphysischer Systeme (CPS) Prozess Fraunhofer Seite 18

19 Das Maß der Dezentralisierung und Selbstorganisation wächst mit der Komplexität der Systeme! Internet der Dienste Clouds Business Objects Services INDUSTRIE 4.0 Internet der Dinge Cyberphysische Systeme CPS Fraunhofer Seite 19

20 Cyberphysische Systeme inbin smarti DycoNet Internet der Dienste Clouds Business Objects Services Intelligente Ladungsträger Internet der Dinge Cyberphysische Systeme CPS Fraunhofer Seite 20

21 smarti smart Reusable Transport Items Beispiel Konsumgüterindustrie Fehler im Bestellprozess verursachen Verluste zwischen 2 und 3%. Transparenz im Distributionsprozess reduziert diese Quote unter 0,5%. Der Verlust von Paletten lässt sich um bis zu 50% reduzieren. Weniger Verlust und höhere Effizienz reduzieren den Bestand um 10%. Entspricht 2% mehr Umsatz (ca. 8 Mrd. ) für den deutschen Handel. Mars, Rewe, Chep und Fraunhofer IML erhielten den ECR-AWARD Fraunhofer Seite 21

22 smarti smart Reusable Transport Items smarti verbindet Unternehmen mit intelligenten Ladungsträger. Voll kompatibel zu den bestehenden Standards von EPCglobal. Empfehlung der GS1 Ad-hoc Gruppe intelligente Palette umgesetzt. Unterstützt hybride AutoID-Technologien: Barcode (1D/2D) und RFID. Arbeitet eventbasiert mit seriell gekennzeichneten Ladungsträgern. Fraunhofer Seite 22

23 CPS in der Logistik : smart Label inbin smart ULD smart Label als intelligente Lagerplatzbeschriftungen Partner: Debrunner inbin der intelligente Behälter mit Mensch-Maschine-Schnittstelle Partner: Würth smart ULD Intelligenter Luftfrachtcontainer Integration in bestehende Flughafen IT-Systeme Partner: Lufthansa Cargo Jettainer Innotec Enocean PalNet Bildquellen: Jettainer, Fraunhofer IML Fraunhofer Seite 23

24 inbin patentierter intelligenter Behälter Kommunikation zu Mensch & Cloud Inventur Picking Selbstversorger Energy Harvesting mit 400lx Solarzelle epaper-grafik-display hochauflösend für Texte, Grafiken und Barcodes 256bit Kryptokern separater Prozessorkern zur asymmetrischen Verschlüsselung Energiespeicher Telegramme ohne Nachladen 32 Bit μprozessor bis zu 25 MHz, 512K Kommunikativ ios Interface für ipad inbin ist eine Marke der Fraunhofer-Gesellschaft Fraunhofer Seite 24

25 ibin - Behälter mit Augenmaß Mit einer integrierten Kamera und im Zusammenspiel mit seiner Cloud zählt der ibin die Teile, die in ihm liegen. Fraunhofer Seite 25

26 Cyberphysische Systeme inbin smarti DycoNet Internet der Dienste Clouds Business Objects Services Zellulare Transportsysteme Internet der Dinge Cyberphysische Systeme CPS Fraunhofer Seite 26

27 Zellulare Transportsysteme Schwärmen für Industrie 4.0 Unflexible Fördertechnik durch kleine autonome Transporteinheiten ersetzen. Selbststeuerung nach dem Internet der Dinge Prinzip Schwarmintelligenz zur Bewältigung komplexer Transportaufgaben nutzen Autonom Einzeltransporte bewältigen Steigerung von: Wandelbarkeit Skalierbarkeit Flexibilität Transportleistung genau dort, wo sie benötigt wird! Fraunhofer Seite 27

28 Zellulare Transportsysteme Schwärmen für Industrie 4.0 Lokalisierung Lokalisierung von ZFT mittels Sicherheits-Laserscanner Eigenposition der Fahrzeuge wird durch Fusion der Laserscannerdaten mit der Fahrzeugodometrie bestimmt. Nutzung von probabilistischen Algorithmen und Sensormodellen Lokalisierung der Arbeitsstationen über Reflektoren Schnelle und sichere Identifikation relevanter Streckenpunkte Erreichbare Genauigkeiten bei der Positionierung: ± 1 cm Video ZFT Sensor Simulation: Fraunhofer Seite 28

29 BILOC LOCATIVE Cyberphysisches Transportsystem Einfach aufgebaut Preiswert Autonom Dank KammLAM LOCATIVE das preiswerte, autonome Transportfahrzeug für Industrie 4.0 Patentierte autom. Lastaufnahme KammLAM für Standard-Behälter Low-Cost-Cyberphysisches-System zur Steuerung und Kommunikation Low-Cost-Spurführung mit Kamera (entwickelt by Fraunhofer) Differentialantrieb mit BLDC-Motoren und Rückspeisung 2-Schicht-Betrieb mit 26 V / 15Ah LiFePO4 Akkumulator 8 kg Eigengewicht und max. 12 kg Lastgewicht IR-Abstandssensoren Fraunhofer Seite 29

30 Autonomes Fliegen : INVENTAIRY Die dritte Dimension des Internet der Dinge Fraunhofer Seite 30

31 Cloud Logistics Mall Business Objects Hybride Dienste Internet der Dienste Clouds Business Objects Services Cloud Logistics Mall Internet der Dinge Cyberphysische Systeme CPS Logistics Mall ist eine eingetragene Marke der FhG Fraunhofer Seite 31

32 Die «Unschärferelation» der Logistik Die Standardisierung einer Sache wie zum Beispiel einer Schraube ist möglich, da die Sache selbst und deren Verhalten determinierbar ist. Eine Prozesskette setzt eine Folge von Ereignissen voraus, deren Eintreffen geplant aber nicht vollständig deterministisch ist. Spätestens bei der ersten (nicht kausalen, ungeplanten) Störung wird der Versuch die Prozesskette zu standardisieren durchbrochen. Standardisierung von Prozessketten setzt eine vorhersagbare Zukunft voraus. Maß Zeit Fraunhofer Seite 32

33 Die «Unschärferelation» der Logistik Es gibt -auch in der Logistik- nur eine endliche Wahrscheinlichkeit für das Eintreffen einer Folge von Ereignissen. Je genauer die Wahrscheinlichkeit bestimmt werden soll, mit der ein Ereignis eintrifft, um so größer wird die Menge der zugrunde liegenden Ereignisse, Daten und Relationen. Je genauer ein Prozess vorbestimmt wird, um so unwahrscheinlicher wird er in geplanter Form und zu vorbestimmter Zeit eintreffen. Maß Zeit Fraunhofer Seite 33

34 Virtualisierung in der Cloud sorgt für Komplexitätsreduktion IT-Landschaft: Heute Fraunhofer Seite 34

35 Virtualisierung in der Cloud sorgt für Komplexitätsreduktion Virtualisierte IT-Landschaft: MORGEN Fraunhofer Seite 35

36 Logistikzentrum komplett in der Cloud IT CENTRE BOCHOLT DISTRIBUTION CENTRE DUISBURG Die WM-Logistik bietet Logistikdienstleistungen für namhafte national, europäisch und weltweit operierende Kunden. Einsatz der Mall an den Standorten Duisburg, Velpe, Bocholt und Hamminkeln Sämtliche Software für den operativen Betrieb wird browserbasiert zur Verfügung gestellt: Lagerverwaltung (mission critical), Office, Mitarbeiter finden dieselbe Arbeitsumgebung an allen Standorten Die IT Kosten haben sich um 35% verringert Verwaltung werden Bodenblockläger, Automatische Hochregalläger, Kommissionierungsbereiche, Spirituosen-/Zollsperrlager Fraunhofer Seite 36

37 Wissen als Rohstoff COASTER Knowledge Connection Internet der Dienste Mensch & Industrie 4.0 Internet der Dinge Fraunhofer Seite 37

38 Apps nach Bedarf aus der Cloud auf den COASTER laden Software wie WMS, ERP etc. in der Cloud betreiben Internet der Dienste Clouds Business Objects Services INDUSTRIE 4.0 Internet der Dinge Cyberphysische Systeme CPS Fraunhofer Seite 38

39 «SOCIAL MANUFACTURING and LOGISTICS» Die klassische «Mensch-Maschine-Schnittstelle» wandelt sich. Aus punktueller Kommunikation wird individuelle Interaktion. Vorher: Der Mensch tritt an ein Terminal / an eine Maschine Nachher: Der Mensch ist über ein «Assistant Device» permanent mit den «Social Networks» einer Industrie 4.0 verbunden. Er kommuniziert mit anderen Menschen wie mit cyberphysische Systemen. Fraunhofer Seite 39

40 Menschen & Avatare Die Interaktion zwischen Mensch und Maschine findet ausschließlich über sein persönliches Device statt. Der Mensch erfüllt eine Aufgabe Z. B. Instandhalten, Prüfen, Kommissioniren, Fahren eines Staplers Einer Aufgabe untergeordnet sind Missionen, die (wie beim CPS) von der normativen Ebene an einen Avatar und übertragen werden Ein Avatar repräsentiert die Fähigkeiten und Fertigkeiten und damit letztlich die Aufgabe seines Menschen im (Produktions-)Prozess. Fraunhofer Seite 40

41 Menschen & Avatare & CPS NORMATIVE EBENE Arbeitsorganisation gem. übergeordneter Strategie Missionen gem. übergeordneter Strategie Menschen Avatare & CPS Interagieren, Prüfen, Steuern Echtzeitfähige Interaktion OPERATIVE EBENE Fraunhofer Seite 41

42 Mission und Strategie Industrie 4.0 : Mensch + vertikale und horizontale Vernetzung Supply Chain Management und Kollaboration in Wertschöpfungsnetzen Avatare, Services, Business Objects i.d. Cloud Mensch startet Avatar Mensch startet Service Tracking & Tracing Kommunikation Interaktion Mensch & CPS Echtzeitfähige Vernetzung auf Basis cyberphysischer Systeme (CPS) Prozess Fraunhofer Seite 42

43 Soziotechnisches System Strategische und normative Vorgaben, Vernetzung mit Wertschöpfungsketten Autonomes technologisches System: CPS, Vernetzung etc. Mitarbeiter: Aufgabenstruktur Qualifikationen Handlungsspielräume etc. Arbeitsorganisation: Arbeitsteilung Hierarchie Kooperation etc. Quelle: Hirsch-Kreinsen, H.; TU Dortmund Lehrstuhl Wirtschafts- und Industriesoziologie: LWIS ten Hompel, M.; Fraunhofer IML Fraunhofer Seite 43

44 Soziotechnisches System Strategische und normative Vorgaben, Vernetzung mit Wertschöpfungsketten Mission Arbeitsorganisation: Arbeitsteilung Hierarchie Kooperation etc. Mitarbeiter: Aufgabenstruktur Qualifikationen Handlungsspielräume etc. Quelle: Hirsch-Kreinsen, H.; TU Dortmund Lehrstuhl Wirtschafts- und Industriesoziologie: LWIS ten Hompel, M.; Fraunhofer IML Fraunhofer Seite 44

45 ALL YOU NEED FITS ON A COASTER! Der COASTER Alles was wirklich wichtig ist, passt auf einen Bierdeckel! Rolf Handke / pixelio.de Fraunhofer Seite 45

46 COASTER verbindet den Menschen mit Industrie 4.0 Industrietaugliches(!), persönliches Device Made in Germany Multiaxiales Bediensystem Mit Handschuhen bedienbar Keine «fummeligen» Mikrotasten Integrierte Kamera, WLAN, Bluetooth App Store mit vielen weiteren Funktionen. In der Entwicklung u.a.: 2D Barcode Google Glasses SAP-Schnittstelle Induktive Ladeschale Fraunhofer Seite 46

47 coaster in der Logistics Mall: Auswahl einer App innerhalb der Prozesskategorie Fraunhofer Seite 47

48 Auch das ist Industrie 4.0! Mengenerfassung im Mehrwegkreislauf Hoher manueller Aufwand beim Zählen von Ladehilfsmitteln (LHM) wie Steigen und Kisten im WA der Filiale bei Abholung im Zentrallager Übertragungsfehler bei manueller Verbuchung Technische Lösungen häufig stationär oder teuer Hohe Bestandsfehler bei nur (halb)jährlichem Zählen der Beständen Standarddienste aus der Cloud (smarti Cloud) im Zusammenspiel mit einer App auf einem PAD oder dem COASTER sorgen für Transparenz. Zählen und Identifikation durch Bildanalyse Bildquelle: IFCO SYSTEMS; Microsoft; Fraunhofer; van Melis, Golembewski, Wengert // pixelio.de; Fraunhofer Seite 48

49 Benchmarking wesentlicher Teil des Transformationsprozesses Bauernhansl, T.: Industrie 4.0 Readiness, Fachkongress Industrie 4.0; Fraunhofer Seite 49

50 Industrie 4.0 erfordert neue Formen der Zusammenarbeit zwischen Wirtschaft und Wissenschaft Forschung ist die Umwandlung von Geld in Wissen Innovation ist die Umwandlung von Wissen in Geld LogistikCampus Competence Center Dr. Alfred Oberholz, Verband Chem.Industrie, Der LogistikCampus wurde gefördert durch: Fraunhofer Seite 50

51 Das 20. Jahrhundert mobilisierte den Menschen. Das 21. Jahrhundert mobilisiert die Dinge. Wenn wir unsere Chance nutzen, wird dies das Jahrhundert der Logistik! EffizienzCluster LogistikRuhr, gefördert durch:

52 ZUKÜNFTIGE HERAUSFORDERUNGEN INTERNET DER DINGE & INDUSTRIE 4.0 Prof. Dr. Michael ten Hompel 17. VLB-Logistikfachkongress Hagen 2014 Fraunhofer Seite 52