Industrie 4.0: Mit dem. die vierte industrielle Revolution

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1 4. Trendkongress net economy - Business IT as a Service Messe Karlsruhe, 11. Mai 2012 Industrie 4.0: Mit dem semantischen Web der Dinge in die vierte industrielle Revolution Prof. Dr. rer. nat. Dr. h.c. mult. Wolfgang Wahlster Deutsches Forschungszentrum für Künstliche Intelligenz GmbH Saarbrücken/Kaiserslautern/Bremen/Berlin Tel.: (0681) /4162 Fax: (0681) / wahlster@dfki.de

2 Zukunftsprojekt: Industrie 4.0 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 g wird zur neuen Randbedingung g 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

3 Zukunftsprojekt: Industrie 4.0 Vision: Internet der Dinge 250 M angestrebte Fördersumme BMBF +BMWi erste Tranche vom BMBF Intelligente Umgebungen z.b. Smart City Cyber-Physische Systeme z.b. Smart Factory, Smart Grid Vernetzte eingebettete Systeme z.b. Bremsassistent Evolution von Eingebetteten Systemen zum Internet der Dinge Eingebettete Systeme z.b. Airbag Nationale Roadmap Embedded Systems Agenda Cyber- Physical Systems PG Kommunikation der Forschungsunion

4 Von Industrie 1.0 zu Industrie 4.0: Das Internet kommt in die Fabriken Erster mechanischer Webstuhl 1784 Ende 18. Jhdt. 1. Industrielle Revolution durch Einführung mechanischer Produktionsanlagen mit Hilfe von Wasser- und Dampfkraft 2. Industrielle Revolution durch Einführung arbeitsteiliger Massenproduktion mit Hilfe von elektrischer Energie Industrielle Revolution durch Einsatz von Elektronik und IT zur weiteren Automatisierung der Produktion Industrie 4.0 Industrie 3.0 Industrie 2.0 Wasser nd Dampfkraft Industrie 1.0 Beginn 20. Jhdt. Beginn 70er Jahre 20. Jhdt. heute t 4. Industrielle Revolution auf der Basis von Cyber- Physischen Systemen Grad der Komplexitä ät

5 Enge Kopplung von reale und virtuelle Produktionswelten Cyber-Physische Systeme (CPS) Hochauflösende und feingranulare Steuerungen Manuelle Dateneingabe Smart Virtuelle Welt Cards Barcode Eingebettete Aufwand für die RFID Funksensoren Datenerfassung Physische Welt Präzisere Information für multiadaptive Prozesse Ambiente Intelligenz in der Fabrik 4.0 Hochfrequente Datensammlung Nahezu Echtzeit-Daten, erweiterte Bandbreite

6 Digitale Veredelung von Produkten: Smart Products Durchdringung der physikalischen Welt mit eingebetteten Softwaresystemen, Funksensoren: Alltagsgegenstände instrumentiert mit eindeutiger Identifikation (z.b. RFID, Barcode) Sensorik (z.b. für Temperatur, Licht, Beschleunigung) Aktuatorik (z.b. Miniaturlautsprecher, Antriebe) Kommunikation (WLan, ZigBee, GSM, UMTS) Instrumentierte Umgebungen beherbergen Smart Objects Aktuatoren Sensoren zusätzliche Dienst-Agenten

7 Paradigmenwechsel: Das entstehende Produkt als aktive Systemkomponente Das Produkt steuert seine Herstellung durch proaktive M2M-Kommunikation Befüllung mit 500ml Flüssigkeit iniziieren Zwischenzeitlich 2min offen Das Produkt als Beobachter und Akteur durch eingebettete Sensorik und Aktuatorik R ti Das Produkt entscheidet t autonom auf Basis übergeordneter Prozessdaten Ressourcenoptimierte Produktion möglich

8 Zukunftsprojekt: Industrie 4.0 "Exportschlager" Smart Factory Information Reales Umfeld Machine-2-Machine (M2M) Ressourcen-Effizienz Netzinfrastruktur Wirtschaftliches Umfeld Geschäftsmodelle Dienste/Services Unternehmenssoftware (PLM) Arbeit Energie ege Material Smart Factory Smart Production Smart Product VERNETZUNG (intern/extern/global) INTEROPERABILITÄT Faktor Mensch Mensch-Machine-Interaktion Faktor Technologie (MMI) System Engineering/Modelling Akzeptanz & Safety Kommunikationstechnologie Daten- und dpi Privatsphären- Smart Production Technologie schutz Sensorik und Aktuatorik Aus- und Weiterbildung Security Rechtliche Rahmen- bedingungen PG Kommunikation der Forschungsunion

9 Das Internet der Dinge und der Dienste als Basis für das Zukunftsprojekt Industrie 4.0 Internet der Dienste Internet der Dienste Unternehmen 2.0 Semantische PLM-, SCM-, CRM-, QMS- und ERP-Dienste Smarte Materialien App- Plattform Smart Factory App-Plattform Smarte Produkte App- Plattform Emergente Software Internet der Dinge

10 Die Vernetzung von Smart Factories für das Zukunftsprojekt Industrie 4.0 Smart Factory 2 N Smart Factory 1 M2M- Kommunikation Smarte Materialien Smarte Maschine 1 App-Plattform für Maschinen Smarte Maschine N Cyber-Physisches Produktionssystem CPPS Smarte Produkte Sichere Cloud- Netze

11 Von Bits und Bytes zur Semantischen Beschreibung von CPS-Diensten in der Smart Factory Semantische Technologien Software Engineering zu semantischen Diensten Elektrotechnik und Maschinenbau über Funktionsbeschreibung Von Bits und Bytes Produktionsontologie t i Nach: D. Zühlke, DFKI

12 App Stores für die Smart Factory: Software-basierte Konfigurierung von Anlagen

13 Semantische Webdienste für Industrie 4.0: Das semantische SOA-Modell der Smart Factory Physikalisches Modell SOA-basierte Smart Factory Funktion Befüllen Funktionsmodell Funktion Abfüllen der verschiedener Medikamente in individuellen Dosen Funktion Qualität kontrollieren Ultraschall Sensor Elektr. Stopper Induktiver Sensor Kamera RFID-LSG Web-Service stopper Operation: hold IP Funktion Dose Stoppen Service hold Funktion Dose detektieren Service-Verzeichnis Funktion Pillen zählen Induktiver Sensor Stopper Stopping Unit Services: hold release check RFID-LSG Services: read write UltraschallSen sor Service: check Kamera Service: count_pills Nach D. Zühlke, DFKI

14 Warum Semantik in der Produktion? Flexible Taktstraße mit Ringpuffern X Produkt- Wissen Fräsen Bohren Entgraten Waschen Wissen Dienste Kontext Dienste -modell Anlagen -Wissen Kann Produkt trotzdem gefertigt werden? Intelligentes Anlagenverhalten Kann zuerst andere Station durchlaufen werden? Komplexitäts- beherrschung Flexibilität und Wandlungsfähigkeit Nach D. Zühlke, DFKI

15 Interoperabilität durch plattformneutrale Kommunikation in Industrie 4.0 µ webserver 32bit ARM processor 8MB SDRAM 100Mbit Ethernet LINUX OPC UA Server Das Herz eines industriellen CPS: XML-basierte Webserver oder sehr schnelle Binärkommunikation

16 Grobarchitektur für industrielle Assistenzsysteme und die Mensch-Technik-Kooperation in der Smart Factory Infrastruktur zur Gewährleistung von IT-Sicherheit, Betriebssicherheit, Arbeitssicherheit und Privatsphäre Adaptionskomponenten mit maschinellem Lernen Multimodale Eingabeanalyse Multimodale Ausgabepräsentation Industrielles Assistenzsystem CPS-Produktionssystem Maschinensteuerung Betriebsmittelanpassung Diskurshistorie Benutzermodell Produktionskontext Arbeitspläne Prozessmodelle

17 Der Mensch im Mittelpunkt beim Entwurf CPS-basierter Assistenzsysteme Physische Assistenz durch Exoskellette Industrielle Assistenzsysteme Lokationsbasierte Wartungs- und Planungsassistenz Kontextadaptive Assistenz bei der Diagnose von Fehlfunktionen AR/VR/DR- Assistenz bei komplexen Ab Arbeitsprozessen Mobile, personalisierte, situationsadaptive Lernsysteme Multimodale Mensch-Maschine Interaktion

18 Assistenzsysteme am Handarbeitsplatz Robuste Augmented Reality Anwendungen für den Einsatz in der Fertigung Mobile Bereitstellung und Visualisierung von Echtzeitinformationen

19 Nahtlose Navigation für Wartungstechniker innerhalb der Smart Factory anhand eines digitalen 3D-Modells

20 AR-Technologien zur schellen Einweisung in neue Fertigungsprozesse Industrielle Umgebung Werker mit Google- Brille Werkzeuge Mobiles, Interaktives und Situationsadaptivesti ti Lernen

21 Interaktive Hilfe beim Einbau einer Speichererweiterung in ein Notebook

22 Industrie 4.0: Faktor Mensch Reale Fabrik Visualisierung Virtuelle Fabrik Steuerung Totale Instrumentierung aller Maschinenkomponenten mit Funksensoren, Drahtlose Vernetzung aller Komponenten Erfordert hohe Bandbreiten wegen vieler paralleler Änderungen Von der erweiterten Realität (AR) zur Dualwelttechnologie (Dual Reality) und synchronisierten Welten, um eine komplette Teleoperation von Smart Factories oder deren Komponenten zu ermöglichen. Rollenbasierte Zugriffssicherheitsmechanismen, i h it h i welche den notwendigen Datenschutz t und den Schutz der Privatsphäre auch in hochinstrumentierten Sensorumgebungen gewährleistet

23 Nutzung von Infrastrukturen aus dem Massenmarkt für kostengünstige Lösungen in Industrie 4.0 Apps Pads, Tabs, SmartPhones Mobil und geringes Gewicht OTA Download von adaptiven Schnittstellen Kinect and Sensoren in SmartPhones Preiswerte Gestenerkennung All IP Komplexitätsreduktion durch Elimination von Feldbus Vielfalt Cloud Netze für den preiswerten Zugriff auf HPC und Massenspeicher LTE für den mobilen Breitband Webzugang A MBit/s mit Daten Flatrates

24 Bioinspirierte Exoskelette für die physische Assistenz (DFKI, FESTO, BOSCH) Robotische Technologien als digitale Instrumentierung von älteren Fach- kräften (mit 60 plus mitten im Arbeitsleben) durch tragbare Sensorik, Aktuatorik und in die Kleidung eingebettete Computer oder Exoskeletons, um ihre physische oder kognitive Leistungs- und Ausdauerfähigkeit zu erhöhen.

25 Industrie 4.0: Roboter werden aus ihren Käfigen g befreit und kooperieren p mit den Werkern morgen heute Die neue Generation von Leichtbaurobotern arbeitet mit dem menschlichen Werker als A i t Assistenzsysteme t hautnah h t h zusammen mit it humanoidem h id A Ausweichverhalten i h h lt ohne h Verletzungsgefahr für die Mitarbeiter.

26 SemProM s Fembot AILA: Benutzung des Semantischen Produktgedächtnisses für Adaptives Greifen Stereokamera im Kopf und 3D-Kamera im Torso zur Annäherung an ein Objekt Auslesen von Größe, Gewicht und Griffpunkten aus dem Produktgedächtnis mit einer in der linken Hand integrierten Antenne.

27 Industrie 4.0: DFKI-Leichtbauroboter AILA als physischer Avatar

28 Konklusionen 1. Das semantische Web der Dinge ist eine wichtige Grundlage für die im neuen Zukunftsprojekt Industrie 4.0 entwickelten cyber-physischen Produktionssysteme. 2. In Industrie 4.0 werden Apps zur software-definierten Konfiguration von Fertigungsmaschinen und anlagen von Smart Factories durch Smart Product Apps ergänzt. 3. Die vierte industrielle Revolution setzt die Integration des Internet der Dinge und der Dienste mit semantischen Technologien, 3D- Interaktionstechniken und cyber-physischen Systemen voraus. 4. Der Faktor Mensch spielt auch in Smart Factories eine zentrale Rolle, so dass multimodale industrielle Assistenzsysteme in den Mittelpunkt der Forschung rücken.

29 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit DFKI Design by R.O.