Industrie 4.0 demnächst auch im Wald! Industry 4.0 Coming to your forest soon!

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1 erobotik-anwendungen im Umweltbereich, in der Industrie und im Weltraum Industrie 4.0 demnächst auch im Wald! Industry 4.0 Coming to your forest soon! Prof. Dr.-Ing. Jürgen Roßmann Institut für Mensch-Maschine-Interaktion, RWTH Aachen Institut für Forschung und Transfer, Dortmund Forschung Transfer Anwendung Umwelt Industrie Methoden und Prozesse der erobotik Weltraum MMI und RIF: Von der Grundlagenforschung bis zur Anwendung Die Raumfahrt-Robotik ist Motor vieler aktueller Entwicklungen Innovation und Technologietransfer Entwicklung und Optimierung 20 Ausgründungen (Prototypen, Robustheit, des RIF: ) Anwendungsorientierte Forschung Problemorientierte Grundlagenforschung Produktreife / Serienreife (Sicherheit, Marktforschung, ) Prozessorientierte Forschung 4 erloschen (Muster, Machbarkeitsstudien, ) 3 aufgekauft durch Wettbewerber 12 von 13 aktiv in NRW Ergebnisoffene Grundlagenforschung Beschreiben Gestalten

2 Die Raumfahrt-Robotik ist Motor vieler aktueller Entwicklungen Industrie 4.0 kann man nicht ohne den Aspekt Arbeit 4.0 betrachten Mit Logistik-Anwendung sind wir Vorreiter auf dem Gebiet von Industrie 4.0 Der Virtuelle Wald

3 Der Virtuelle Wald als Kristallisationspunkt Geodaten- Infrastruktur Fernerkundung VR & Robotik VR Technologie Forstwirtschaft und -planung Dendrometrie Liegenschaften Forstwissenschaftl. Know-How Math. Modelle Weltraum- und Industrie-Robotik Satelliten- / terrestrische Navigation Virtueller Wald Mobile Robotik Praxiseinführung der Bausteine des Virtuellen Waldes mit GRIPS-RLP und KlimaWIS.NRW ISO/OGC-konforme Datenhaltung GML-gestützter Datenworkflow Übergreifendes ForestGML- Datenmodell Vollhistorisierung Rechtemanagement Stammdaten Organisationsdaten Vollzugsdaten Wegeinformationen Geobasis- und Geofachdaten BAT-Konzept Betrieb Wartung Weiterentwicklung Datenmanagement in verteilten Systemen Systemintegration Großrauminformations- und Planungssystem Rheinland-Pfalz Klimadynamisches Waldinformationssystem Nordrhein-Westfalen Betriebliche Planung GIS- Infrastruktur Forsteinrichtung Betriebliche Information Homogenisierung Live-Kartenwerke Auswertungen Bestandesinventur Planung Weitgehende Automatisierung (Fernerkundung, Verschneidungen, ) Der Virtuelle Wald als nd-waldmanagementsystem Anwender Anbieter Waldbesitzer Landesbetrieb Holzeinkäufer Industrie Unternehmer Dienstleister Dienstl. Entw. Support Vom Virtuellen Wald zu Wald und Holz 4.0 Das nd-waldmanagementsystem Lasertechnologie Fernerkundung

4 Neue Technologien verändern die Welt sehr schnell Von der ersten bis zur 4. Industriellen Revolution 2005: Besucher des Vatikan nach dem Tod von Papst Johannes Paul II 2013: Besucher des Vatikan nach dem Rücktritt von Papst Benedikt XVI Die Digitalisierung ändert die Welt sehr schnell Quellen: Christian Klettner / BASF Innerhalb von 8 Jahre ~100% Marktdurchdringung Source: DFKI, 2012 Die 4. industrielle Revolution am Beispiel eines Schalters Im Mittelpunkt steht der Experimentierbare Digitale Zwilling Überwachung Selbstvernetzung Selbstbeschreibung Selbsteinrichtung Netzwerk- Integration Sensor Public Private Quelle: Fraunhofer IML, Dortmund Reales System Digitaler Zwilling

5 Im Mittelpunkt steht der Experimentierbare Digitale Zwilling Im Mittelpunkt steht der Experimentierbare Digitale Zwilling auch für Wald und Holz 4.0 Überwachung Netzwerk- Integration Sensor Public Aktor Modellbasierte Steuerung Modell Private Diagnose und prädiktive Wartung Reales System Digitaler Zwilling Im Mittelpunkt steht der Experimentierbare Digitale Zwilling Wald und Holz 4.0 ist in guter Gesellschaft Überwachung Reales System Netzwerk- Integration Fortschrittliche, prozessübergreifende Sensor Public Simulationstechnik liefert Aktor die Grundlage für Private Modellbasierte High-End Digitale Zwillinge Modell Steuerung Diagnose und prädiktive Wartung Digitaler Zwilling erobotik Programmierung Training Mentales Modell DSS * Smart-Factory Smart -X DSS * : Decision Support System / Entscheidungsunterstützung [3] Smart Mobility/Smart Logistics Smart Health [10] [9] Smart Grids [4] [6] Smart City Bauindustrie 4.0 NRW 4.0 [8] [5] [7] Farming 4.0 Smart Port

6 Aber passen Industrie 4.0-Konzepte zum Cluster Wald und Holz? Der Digitale Zwilling Ebene Der Cluster Wald und Holz ist vielschichtiger: - Produkt? Fabrik? sstandort? Unternehmung? Der Wald ist multifunktional und hat diverse Produkte: - Holz - Wild/Jagd - CO 2 -Speicher - Schutz- und Erholungsfunktionen - Weitere Ökosystemleistungen und Waldfunktionen Es gibt diverse sprozesse: - Biologische - Technische - Jagd - CO 2 -Speicher - Schutz- und Erholung Es gibt keine verlässliche Kommunikationsinfrastruktur Forsteinrichter Landesbetrieb Waldgenerator Waldbesitzer Tourist Förster/Revierleiter Jäger Waldarbeiter Ja! Genau aus diesen Gründen! Naturschützer Harvesterfahrer Holzeinkäufer Sägewerk Transportunternehmer als cyber-physische Komponenten von Entwicklungen zu Orchestrierung und Holz 4.0 Wald profitieren! Anwendungsfelder Techn. Digitaler Zwilling: Virtuelles Biol. Abbild realer Dinge im Internet Holz Jagd - Daten Internet Erholung - Funktion der Dienste - Kommunikation Mit der EinführungDigitaler Zwillinge Dienstleistungen können alle Anwendungen Akteure im Wald Dienstleistungen - Metadaten Verschmelzung zu Cyber Physical Systems - Verbinden reale und virtuelle Welt - Erfassen Daten mit Sensoren - Wirken über Aktoren - Sind miteinander verbunden - Nutzen Daten und Dienste - Kommunizieren mit dem Menschen Internet der Dinge Aggregieren und Verknüpfen von Funktionen, Daten, Prozessen Management von Geräten und Systemen Von Industrie 4.0 zu Wald und Holz 4.0 Der Digitale Zwilling einer Bestandeseinheit Dinge kommunizieren über das Internet - Maschinen - Maschinenkomponenten - Produkte - Daten und Beschreibungen - Menschen Dienste stellen Software- Bausteine und Dienstleistungen zur Verfügung Dinge und Dienste werden miteinander verknüpft - Für untersch. Anwendungsfelder - In untersch. n Ebene Orchestrierung Anwendungsfelder Internet der Dienste Internet der Dinge Holz Dienstleistungen Biol. Erholung Anwendungen Jagd Techn. Dienstleistungen Aggregieren und Verknüpfen von Funktionen, Daten, Prozessen Management von Geräten und Systemen Interne Daten Forsteinrichtung Wertgutachten Hiebsplanung Akt. Zustand Maßnahmen Wert/-entwicklung OH, MH, BG Grenzen <intern> <extern> Fördermittel Anfragen nach Holz Lieferaufträge Antwort auf Anfrage Zu entnehmende Bäume Externe Daten Angelehnt an: Bosch Software Innovations 2012 [2]

7 Der Digitale Zwilling einer Bestandeseinheit Waldinventur von oben Der Digitale Zwilling Kristallisationspunkt, Entscheidungsunterstützung, Teil des CPS Der Digitale Zwilling Kristallisationspunkt für Zusammenarbeit mit TUM, Prof. Pretzsch Der Digitale Zwilling Kristallisationspunkt für Zusammenarbeit mit GAIAC, Prof. Schäffer

8 Der Digitale Zwilling eines Sensors zur Umwelterfassung und Lokalisierung Der Digitale Zwilling eines Sensors zur Umwelterfassung und Lokalisierung Visualisierung Interne Daten Sensorparameter Kartendaten Start-/Stop-Signale Stichprobenpunkt Externe Daten Daten Steuerung <intern> <extern> RAW-Sensordaten Zustandswerte aktuelle Pose Stichprobe Der Digitale Zwilling eines Sensors zur Umwelterfassung und Lokalisierung Beispiele Der Digitale Zwilling eines Harvesters Interne Daten Auftragsdaten Geplante Wartung Anforderungen Notrufe Externe Daten Daten Steuerung <intern> <extern> Kraftstoffverbrauch Wartungszustand Aktuelle Position Sicherheitsbereich

9 Der Digitale Zwilling eines Harvesters Simulation für Planung, Assistenz, mentales Modell Der Digitale Zwilling eines Waldarbeiters Interne Daten Fällauftrag Pflegeauftrag Externe Daten Vitalparameter Arbeitsschritte Gefährdungen <intern> <extern> Gesundheitsstatus Privates Umfeld Fällliste Durchgeführte Pflegemaßnahmen Position Der Digitale Zwilling eines Harvesters Optimierte Holzernteplanung Der Digitale Zwilling eines Sägewerks Optimierungsproblem über Digitale Zwillinge: Aufgabe : Markierte Bäume fällen Interne Daten Preislisten Prozessparameter Daten Holzlieferungen Anforderungen Externe Daten Zielfunktion : Dauer Kosten Bodenschäden Steuerung Parameter : Harvestertyp und Anzahl Akt. Prozessstatus Qualitätsbeurteilung <intern> <extern> Anfragen Aufträge

10 Vernetzung zu clusterübergreifenden Netzwerken mit Unterstützung des KWF, Prof. Seeling Vom Internet der Dinge zum Internet der Dienste Industrie 4.0 legt die Grundlagen: - MQTT, QPC UA, MTConnect - Aspekte: Daten, Semantik, Suche, Sicherheit Notwendig: Datenstandards - Viele etablierte und neue Standards vorhanden: StanForD ELDAT papinet FWW Shape ForestGML - Decken nur einen kleinen Teil ab - Keine übergreifende Geltung Notwendig: Kommunikationsinfrastruktur - Problematisch, offline ist nicht die Ausnahme - Also: Clusterübergreifende Prozesse mit dezentralen Daten Holz Dienstleistungen Biol. Erholung Anwendungen Techn. Jagd Dienstleistungen Aggregieren und Verknüpfen von Funktionen, Daten, Prozessen Management von Geräten und Systemen Übergang vom produkt- zum dienstorientierten Denken Nutzung klassischer Softwaredienste, z. B. - Daten (z. B. Orthofotos, Harvesterdaten) - Datenverarbeitung (z. B. pix4d) - Simulationen (z. B. Waldwachstum) Bereitstellung komplexer Dienste, z. B. - Aktuelle Bodenbeschaffenheit - Forsteinrichtung als Dienst - Holzernte als Dienst Holz Dienstleistungen Biol. Erholung Anwendungen Techn. Jagd Dienstleistungen Aggregieren und Verknüpfen von Funktionen, Daten, Prozessen Management von Geräten und Systemen Kommunikationsinfrastruktur im Wald Cloud Computing Das Internet der Dinge und Dienste ist häufig mit der Nutzung von Cloud-Technologien verbunden Holz Biol. Erholung Techn. Jagd Plattformen werden im Cluster Wald und Holz häufig kritisch gesehen - Notwendig: Entscheidung über die Verwendung von Daten bleibt beim Eigentümer - IT-Sicherheit ist eines der Hauptthemen von I4.0 Cloud ist nicht gleich Cloud : - Cloud-Technologien - Bereitstellung von Cloud-Infrastrukturen, z. B. Public Cloud vs. Private Cloud Dienstleistungen Anwendungen Dienstleistungen Aggregieren und Verknüpfen von Funktionen, Daten, Prozessen Management von Geräten und Systemen

11 Smart Forest Machine Plant die eigene Arbeit - Arbeitsschritte, Koordination mit weiteren Akteuren Neue Anwendungslösungen Die klassische Sicht auf Industrie 4.0 Unterstützt den Fahrer bei seiner Arbeit - Umfassende und geeignet aufbereitete Datengrundlage (Ziele, Randbedingungen, Hinweise, ) - Konsequente Optimierung der Umweltverträglichkeit, z. B. Bodenbelastungen Verbessert die Arbeitssicherheit - Ständige Überwachung der eigenen Arbeit - Hinweise auf (statische und dynamische) Gefährdungen Arbeitet teilweise selbständig - Automatisierung einzelner Arbeitsschritte Nimmt zusätzliche Aufgaben wahr - Umwelterfassung - Dokumentation von Maßnahmen Neue Anwendungslösungen am Beispiel des Virtuellen Waldes Smart Forest Machine Kennt ihre Umgebung, weiß wo sie ist, unterstützt den Fahrer Datenerhebungsaufwand reduzieren Datenqualität sichern Forsteinrichter Waldbesitzer Förster/Revierleiter Stets aktuelle, flächenbezogen auswertbare Datengrundlage Waldarbeiter Effiziente splanung und Harvesterfahrer Aktivitäten planen Arbeiten unterstützen Holzeinkäufer Neue Anwendungen ermöglichen Breite methodische Basis schaffen Landesbetrieb Waldgenerator Übergreifende Kommunikationsinfrastruktur Sägewerk Daten und -Austausch standardisieren Kommunikation optimieren Transportunternehmer Tourist Naturschützer Jäger

12 Smart Forest Machine Führt einzelne Arbeitsschritte automatisiert aus Für reale Maschinen trainieren im Digitalen Zwilling Für reale Maschinen trainieren im Digitalen Zwilling Smart Forest Worker Bislang Fokussierung auf Maschinen - Übertragung auf Waldarbeiter, Maschinenführer, Forsteinrichter, forstliche Dienstleister, Waldbesitzer, Menschen in die Lage versetzen, schnell und dezentral die richtigen Entscheidungen zu treffen - Unterstützung der Menschen bei der Arbeit vor Ort - Planung der eigenen Arbeit, Koordination mit anderen - Umfassende und geeignet aufbereitete Datengrundlage Verbesserung der Arbeitssicherheit - Ständige Überwachung der eigenen Arbeit - Hinweise auf (statische und dynamische) Gefährdungen Nimmt zusätzliche Aufgaben wahr - Umwelterfassung - Dokumentation von Maßnahmen - Nicht überladen, auch entlasten, auf Mehrwert achten [28]

13 Smart Forest Predictive Maintenance Die Bestandeseinheit als Digitaler Zwilling - Kennt ihre Historie, ihren aktuellen Zustand und alternative Wege zum Ziel - Tauscht eigenständig Informationen aus - Arbeitet dezentral und selbständig - Koordiniert sich selbständig mit anderen Predictive Maintenance für Maschinen und Werkzeuge im Wald Vorausschauende Wartung von Maschinen und Werkzeugen Kommunikationspartner für Digitale Zwillinge - z. B. zur Inbetriebnahme von sanlagen Grundlagen hierfür sind - Sensoren, Ferndiagnose, Simulationen o.ä. Unterschiedliche Ausprägungen, z. B. - Biologische/technische - Ökosystemdienstleistungen [14] [15] Predictive Forest Management Vorausschauende Pflege von Beständen Predictive X Der proaktive Digitale Zwilling Der digitale Zwilling erkennt frühzeitig nichtnominale Ereignisse bevor diese auftreten und agiert dann rechtzeitig. Der Wald meldet selbständig notwendige Pflegemaßnahmen auf Grundlage von Sensordaten und Simulationen.

14 Predictive Safety Wertschöpfungsübergreifende, vollautomatisierte Prozessketten Steigerung der Arbeitssicherheit für Mensch und Masching - Vollautomatische Situationseinschätzung - Gefährdungserkennung - Unfallmeldung [20] [21] Forstmaschine Möbelhaus [22] Holzhandelsplattform Unternehmerhandelsplattform [23] Möbelproduzent Bestandeseinheit Unternehmer Forsteinrichter Revierleiter Logistikplattform Holztransport Transport- LKW [24] [16] [25] [26] Voraussetzung: Datenworkflow, z. B. in der technischen Industrie 4.0 legt die Grundlagen zur Beherrschung auch komplexer Strukturen Simulation [18] [18] Holzbuchführung Bestandeseinheit Forstmaschine [20] Maschinenbuchführung Bodenkarte Luftbilder Gelände Baumkarte Wetter [21] [22] [19] [19] [24] [27] [18] [26]

15 Neue Geschäftsmodelle Was kann Industrie 4.0 also für den Cluster Wald und Holz leisten? As-a-service - Abrechnung nach Nutzung oder als Abonnement - Anbieter: Kontinuierlicher Geldfluss - Kunde: Weniger Kapitelbindung, mehr laufende Kosten Plattformen - Technologien - B2B-/B2C-Plattformen (z. B. Waldinformation 4.0, Online-Marktplätze) IPR oder Know-How - Datenstandards - Consulting Daten - Direkt: Erhobene Daten verkaufen - Indirekt: Verarbeitete Daten verkaufen - Nutzung für eigene Zwecke (z. B. Weiterentwicklung, Wartung, Dienstleistungen) Neue Technologien: Dezentrale IT das Internet der Dinge und Dienste für einen dezentral organisierten Cluster Wald und Holz Neue Denkansätze und Strukturen für die Digitale Transformation: Im Mittelpunkt steht der intelligente und proaktive Digitale Zwilling als Kristallisationspunkt Neue Geschäftsmodelle: Von neuen Dienstleistungsformen bis hin zu übergreifenden und selbstorganisierenden Wertschöpfungsnetzwerken Wie können die Akteure im Wald davon profitieren? Innovationsketten schaffen Informieren Demonstrieren Qualifizieren Konzipieren Umsetzen Zusammenfassung und Ausblick Den Cluster Wald und Holz unterstützen Kompetenzzentren, Kristallisationspunkte, Referenzszenarien Eng mit Industrie 4.0 verzahnen Voneinander lernen und profitieren Made in Germany Vertrauen in Machbarkeit, Sicherheit und Akzeptanz

16 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit Prof. Dr.-Ing. Jürgen Roßmann Institut für Mensch-Maschine-Interaktion RWTH Aachen