Internet of Things and Services Keine Revolution aber ein Umdenken in den Bereichen Produktentwicklung, Produktion und Dienstleistungen

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1 Internet of Things and Services Keine Revolution aber ein Umdenken in den Bereichen Produktentwicklung, Produktion und Dienstleistungen Technische Universität Kaiserslautern Lehrstuhl für Virtuelle Produktentwicklung (VPE) Professor Dr. Martin Eigner

2 Lehrstuhl für Virtuelle Produktentwicklung Professor Dr.-Ing. Martin Eigner Lehrstuhl für Virtuelle Produktentwicklung Technische Universität Kaiserslautern Werkzeugmacher Universität Karlsruhe (TH) Studium des Maschinenbaus und der Wirtschaftswissenschaft Universität Karlsruhe (TH) Promotion bei Professor Dr. Hans Grabowski Robert Bosch GmbH Technische Datenverarbeitung und Organisation Eigner & Partner GmbH, AG, Inc. Systemhaus für e-engineering Technologien bis 1997: Geschäftsführender Gesellschafter, bis 2001: Vorstandsvorsitzender bis 2003: Aufsichtsratsvorsitzender und CTO in USA seit 2003 Geschäftsführer EIGNER Engineering Consult seit 2004 TU Kaiserslautern Lehrstuhlinhaber seit 1992 seit 1999 seit 2015 Universität Karlsruhe (TH) Gastdozent TU Sofia Bulgarien Gastdozent EGE Universität Izmir Gastdozent Lehrstuhl für Virtuelle Produktentwicklung (VPE) // 2015 Folie: 2

3 Industrielle Megatrends für 2020 Digitales Leben Connectivity Technologien Broadband 3D Printing Big Data/Cloud Demografischer Wandel Industrielle Megatrends 2020" Globalisierung 2.0 Personalisierung Total Cost of Ownership Wandel der Arbeitswelt Crowd Engineering Finanzierung Crowd Funding Cryptocurrencies Mobile Money Kulturelle Vielfalt Neue Konsummuster Sharing not Owning Anstieg von Software und Dienstleistungen Kommunizierende Systeme Industrial Internet

4 Megatrend Industrie 4.0 Die vierte industrielle Revolution?

5 Europa vor USA? Lehrstuhl für Virtuelle Produktentwicklung (VPE) 2015 Folie: 5

6 Anwendungen und Begriffe Konsumgüter Investitionsgüter Produkte Produktionssysteme (Discrete Manufacturing) Produktionssysteme (Non Discrete Manufacturing) Verfahrenstechnik Dienstleistungen: Operating Services Logistics

7 Anwendungen und Begriffe Konsumgüter Investitionsgüter Produkte Internet of Things IoT Produktionssysteme (Discrete Manufacturing) Produktionssysteme (Non Discrete Manufacturing) Verfahrenstechnik Industrie 4.0 Internet of Services Dienstleistungen: Operating IoS Services Logistics * Industrial Internet Consortium (IIC),

8 Domänen interdisziplinär Abdeckung von Entwicklung, Produktion und Service Ganzheitlicher Ansatz Dienst-leistungen Software Elektronik Mechanik OEM Serviceanbieter Zulieferer Anforderungsdefinition Entwicklung Produktion Betrieb/Service Produkt-planung Entwicklung Prozess-planung Produktion Betrieb Recycling Produktlebenszyklus integriert Anm: Die meisten Industrie 4.0 Ansätze haben ihren Schwerpunkt in der Produktion!!! Wir sollten das ganzheitlicher sehen!!! Ohne intelligente innovative Produkte haben wir auch keine Produktion mehr. Service-orientierte Geschäftmodelle bieten total neue Möglichkeiten

9 Ein Beispiel aus dem Bereich Automotive Mechanisches Produkt Vom mechanischen Produkten zu kommunizierenden Systemen Mechatronische Produkte Intelligentes mechatronisches System Kommunizierendes mechatronisches System Cybertronische Produkte bzw. Produktionssysteme System von Systemen Ein Netz aus smarten Services für das Fahrzeug: Stadtplanung Stadtplanung Verkehrsinfrastruktur Verkehrsleitsystem Wartung Motorsteuerung Fehlerdiagnose ACC WLAN Hotspot Notfall Service Bsp. Autonomes Parken Versicherung Navigation- Service Tracking Service Lehrstuhl für Virtuelle Produktentwicklung (VPE) // 2015 Folie: 9

10 Ein Beispiel aus dem Bereich Automotive Mechanisches Produkt Vom mechanischen Produkten zu kommunizierenden Systemen Mechatronische Produkte Intelligentes mechatronisches System Kommunizierendes mechatronisches System Cybertronische Produkte bzw. Produktionssysteme System von Systemen Ein Netz aus smarten Services für das Fahrzeug: Stadtplanung Stadtplanung Verkehrsinfrastruktur Verkehrsleitsystem Motorsteuerung Fehlerdiagnose ACC WLAN Hotspot Notfall Service Navigation- Service Tracking Service Industrie 4.0 Industrial Internet Bsp. Autonomes Parken Wartung Versicherung Lehrstuhl für Virtuelle Produktentwicklung (VPE) // 2015 Folie: 10

11 Zucker Sensor kann Diabetes kontrollieren * Industrial Internet Consortium (IIC),

12 IoT/IoS: Der StreetScooter 30 installierte Sensoren verbunden via C2C box Real time Verbindung WLAN, UMTS oder GPRS Übertragung via XMPP Übertragene Signale 53 Signale car to cloud 3 Signale cloud to car Source: PTC, Streetscooter and ThingWorx

13 Cybertronisches System Beispiel: Autonomes Parken Customer Interaction (UML) act [Activity] ParkhausApp [ ParkhausApp ] Selection Parking Slot (Modelica) Dauerparker KundenID übertragen KundenID übermitteln Standort ermitteln Kundenkonto? Standardparkplatz Eigner BMW Z4 Anmeldung am Parkhaus KundenID übermitteln Academic Version for Teaching Only Commercial Development is strictly Prohibited KundenID übermitteln Logische Systemstruktur (SysML) Founded by BMBF [Model] autonomes Parksystem bdd Data [ ] «Log ical System Element» autonomes Parksystem Waypoints {(12.4,12.5), } Parkhaus Check-in-App IPhoneApp «block» ParkhausApp values KundenID : String Position : String parts Datenbank : Benutzerverwaltung Parkhaus Kaiserslautern «Log ical System Element» cybertroninisches Parkhaus Benutzerdaten parts Benutzerdaten : Einfahrtkontrolle : ParkplatzZuweisung : Einfahrtkontrolle : Fahrzeug leitsystem Wegpunkte Wegpunkte BMW «Log ical System Element» Fahrzeugsteuerung parts : Antrieb : Lenkung : Bremssystem Academic Version for Teaching Only Commercial Development is strictly Prohibited Autonomous Parking (Modelica) Guten Ihr Automatisches zugewiesener Fahrzeugdaten Tag, Parkplatz: Herr ubermitteln? Einparken 1453 Eigner starten? akzeptieren SW Entwicklung [Logical System Element] autonomes Parksystem autonomes Parksystem ibd [ ] Datenbank : Benutzerv erwaltung Kundenkonto IPhoneApp : ParkhausApp Benutzerdaten Benutzerdaten Partitionierung der Teilmodelle für die Stakeholder (SysML) Parkhaus Kaiserslautern : cybertroninisches Parkhaus Wegpunkte Wegpunkte BMW : Fahrzeugsteuerung Vernetzung von Parkhaus, Smartphone und Fahrzeug (SysML) length of car < 5 m Source: research project mecpro² Slot#: 1453 Automobilbau

14 Neue Service-orientierte Geschäftsmodelle

15 Smart Farming: Optimierung vom Maschineneinsatz In jedem Prozessschritt werden unterschiedliche Maschinen eingesetzt! Lieferung von Saatgut, Dünger und Schädlingsbekämpfung Vorbereitung des Feldes Säen und Pflegen Ernte Transport Verarbeitung der Rüben Weiterverarbeitung des Zuckers Verkauf und Vertrieb

16 Smart Farming und neue Geschäftsmodelle Nutzer Produktmodell e Virtuelles Produkt Smart Farming- Plattform Sensor - daten Business Intelligence Servicerelevante Daten Prozessmodelle Busines s Analytic s Neue Geschäftsmodelle OEM Landwirte Servicepartner -Logistik, etc Smart Farming Services Nutzer Liefern Daten Sammlung, Auswertung und Veredelung der Daten Nutzung der Daten ( auch automatisiert) Dienstleistungen Einsatzbereitschaft Erhöhter Nutzen Optimiertes System

17 PSE- Product and Service Engineering (Müll 4.0) Product Engineering SysML Service Engineering U# 1 BPMN

18 Decisions Service-orientierte Geschäftsmodelle Big Data Business Analytics Visualization

19 Beispiel UBER 19 Quelle: Robin Teigland

20 Beispiel 3D Printing 20 Quelle: Robin Teigland

21 Unbundling the Car Crowd Engineering 21

22 22 Sind wir in der Lage so zu denken und zu arbeiten?

23 23 Christoph Keese: Europa verliert den Anschluss

24 Christoph Keese: Was ist im Silicon Valley anders? Culture of risk Excitement About new values No emphasis on hierarchies Free exchange of ideas Acceptance of everything new and foreign The silencing of ideas is strictly disregarded 24

25 MBSE Model Based Systems Engineerin

26 Motivation Komplexitätsmanagement technischer Systeme Früher... ein Entwickler eingebunden wenige Ingenieursdisziplinen benötigt keine Organisationen eingebunden keine verteilten Systeme keine spezialisierten Systeme [Quelle: Systems Engineering Handbook (INCOSE)] [Quelle: clker.com]

27 Motivation Komplexitätsmanagement technischer Systeme Heute... Anstieg an Softwareanteilen Unterschiedliche Disziplinen benötigt Verteilte und spezialisierte Systeme Einbindung ganzer Organisationen Vernetzung von Subsystemen Keine stand alone Systeme mehr Teil eines größeren Ganzen [Quelle: Systems Engineering Handbook (INCOSE)] Dienstleistung Software Mechanik Elektronik [Quelle: execpastor.com]

28 Motivation: Kosten- und Zeitersparnis Overrun 3% ROI 0 Optimum SEE=14.4%

29 Model Based Systems Engineering + PLM (mecpro²) Service Lifecycle Management Product Lifecycle Management System Modell Simulation Modell Requirements Definition R F/B System Model L Product Planning Targets Simulation Model Design CASE M-CAD E-CAD Validation Requirements Engineering and Specification (Requirements, Functions and Behavior) Virtuelle Tests Logical System Design and multiphysical Simulation Process Planning Simuation Testing Production PLM Backbone Physical Tests CASE Model E-CAD Model M-CAD Model P Dicipline Specific Design Dienst-leistung Mechanik Disciplin E/E Specific Detailling Software Hybride Tests (z.b. HIL) Modellbildung und -analyse

30 SysML PKW Architektur Stakeholder Analyse Use cases Requirements Test cases Architecture Internal structure Instances Behaviour Design & computation model Source: Einsatz von Model-based Systems Engineering in der Automobil Industrie, Dr. Markus Brandstätter und Carolin Eckl TdSE 2015 Lehrstuhl für Virtuelle Produktentwicklung (VPE) 2015 Folie: 30

31 Interdisciplinary Design Methodology (csse) Textual Requirements The interdisciplinary Architecture Model RFLB (SysML) Requirement Engineering Interdisciplinary Requirements {R1,R2,R3,.Rn} SW Requirements {RS1,RS2,RS3,.RSn} HW Requirements {RH1,RH2,RH3,.RHn} SW Component Architecture (UML) HW/ES Component Architecture RFLB (SysML, ) Mechanic Physical Component Architecture Lehrstuhl für Virtuelle Produktentwicklung (VPE) 2015 Folie: 31

32 Interdisziplinäres, digitales Produkt- und Prozessmodell

33 Von Dokument- und BOM-orientiert zu modellbasierend Hierarchische Strukturen Mechanik ist dominant Hierarchische, lineare und netzwerkartige Strukturen Mechatronik und besonders Software ist dominant Dokument und BOM orientiert Model Based Digital Twin Lehrstuhl für Virtuelle Produktentwicklung (VPE) 2015 Folie: 33

34 Authoring Systems Digital Model TDM and PLM/SysLM Digitale Modelle entlang des Produktlebenszyklus Integration on TDM/PLM Level Integration on Authoring System Level Lehrstuhl für Virtuelle Produktentwicklung (VPE) 2015 Martin Eigner Folie: 34

35 Virtuelle Welt Reale Welt Reales Produkt Digital Model Digital Twin Lehrstuhl für Virtuelle Produktentwicklung (VPE) // 2016 Folie: 35 Szenario 2: Änderung am Digitalen Modell Baureihe A PF = Produktfreigabe PF R1a R2a R2c Baureihe B.. Serviceinformationssystem (SIS) 2a (gepflegt durch Service).. 2b 2c Physische Prototypen 1a 1b 1c 1d 2a.. 2b 2c 1a 1b 1c 1d Instanzen von Produkten Feedback in Produktentwicklung mit Auswirkung auf das digitale Modell

36 SIM1 MCAD 1 MCAD 2 ECAD 1 ECAD 2 SIM2 SIM2 RM SysML, CASE DiFa Service SysLM Backbone Federated Backbone based on Data Linkage Anforderungen System Architektur Software Mechanik Elektrik/Elektronik Simulation/Test Digitale Fabrik Service Enterprise Service Platform PPS/ERP PPS/ERP System Lifecycle Management (SysLM) Produkt/Prozess Backbone Team Data Management MCA D TDM ECA D TDM Sim PDM Autoren Systeme Autorensystem über TDM integriert OSLC und REST Technologien Autorensystem direkt integriert TDM Systeme API/Web Service basierende Integration bzw. Datenaustausch Lehrstuhl für Virtuelle Produktentwicklung (VPE) 2015 Folie: 36

37 Integrierter ECM Prozess ALM, PLM und SAP Change Management Backbone & Control (CMBC) CMBC User Interface CMBC Functions ECM Data Graph Data ALM PLM SAP Anforderungen Funktionen Logische Blöcke EBOM CAD Dokumente MBOM Werkzeuge Arbeitsplan

38 Graph Präsentation von Effected Items Requirements Functions Logical Elements Items and Assemblies (E-BOM)) Processes Tools and ressources Documents Supplier

39 Zusammenfassung

40 System Engineering, MBSE and Digital Model and Twin SE A methodical, interdisciplinary approach for the design, realization, technical management, operations, and retirement of a system. MBSE Formalized application of digital modeling to support system requirements, design, analysis, verification and validation, process planning and service activities beginning in the conceptual design phase and continuing throughout planning, concept, development, test and simulation, production planning and after sales. Digital Model derivate Digital Twins Real Twins Lehrstuhl für Virtuelle Produktentwicklung (VPE) 2015 Folie: 40

41 Was ändert sich durch Industrie 4.0 Stärkerer Einfluss von Elektronik und Software Neue dienstleistungsorientierte Geschäftsmodelle Der Produktentstehungsprozess ändert sich grundlegend Integration, Interdisziplinarität und Föderation über den gesamten Produktlebenszyklus Das Digital Modell wird zur Grundlage des Produktlebenszyklus (Hierarchische, lineare und netzwerkartige Strukturen) Die frühe Phase wird zunehmend wichtiger (80% der Kosten werden dort festgelegt) Model Based Systems Engineering (MBSE) Die Betriebsphase wird ebenfalls wichtiger service-oriented business models Die IT Architektur wird komplex und überlappend (ALM / PLM / ERP/SLM) Sind unsere betrieblichen und universitären Ausbildungskonzepte noch zeitgemäß? Wie sehen moderne, agile und Kreativität und Innovation fördernde Organisationsstrukturen aus? Die vierte industrielle Revolution geschieht im Kopf der Menschen

42 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Professor Dr.-Ing. Martin Eigner TU Kaiserslautern Lehrstuhl für Virtuelle Produktentwicklung (VPE) Postfach Kaiserslautern Gottlieb-Daimler Straße Kaiserslautern Tel. +49 (0) Fax: + 49 (0) eigner@mv.uni-kl.de