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Herr Sebastian Webel

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Das Magazin für Forschung und Innovation
 

Internet der Dinge

Der Dialog der Dinge

Heilsame IT: Bei modernen Medizingeräten kann der Arzt die Bilder direkt am Monitor oder an einem Touchpad betrachten und sie an andere Orte übertragen.

In vielen Alltagsgegenständen und Maschinen stecken kleine Computer, die ihre Funktion steuern und nützliche Anwendungen ermöglichen. Diese "Embedded Systems" verbinden sich zudem immer mehr miteinander zum "Internet der Dinge". Derart vernetzte Geräte könnten in Zukunft die Fertigung oder unsere Energie- und Verkehrssysteme revolutionieren.

Egal ob Buntwäsche, Pflegeleichtes oder Wolle – beim Wäschewaschen sorgen neben dem Waschmittel immer auch Computer für saubere Hemden und Hosen: Sie sind als „Embedded Systems“ (eingebettete Systeme) in die Geräte eingebaut und erfassen nicht nur die Eingaben des Benutzers, sondern messen auch den Verschmutzungsgrad der Wäsche, steuern die Ventile für die Wasserzufuhr und sorgen dafür, dass die Tür der Waschmaschine sicher verschlossen ist. Solche eingebetteten Systeme stecken heute in praktisch allen Geräten wie DVD-Playern, Autos, Werkzeugmaschinen oder Computertomographen. Von PCs unterscheiden sie sich durch ihre Größe und die Rechenleistung: Embedded Systems besitzen zwar einen Mikroprozessor, Speicher und Schnittstellen zur Außenwelt – aber eben um einige Nummern kleiner. Oft steckt der Großteil der gesamten Elektronik sogar in einem einzigen Chip: Solche „Mikrocontroller“ sind zwar winzig, können dank ihrer Software aber problemlos selbst komplexe Geräte steuern.

Unsichtbare Helfer

„Es wird in wenigen Jahrzehnten kaum mehr Industrieprodukte geben, in welche die Computer nicht hineingewoben sind“, prophezeite der deutsche Informatiker Karl Steinbuch schon im Jahr 1966. Heute ist seine Vorhersage längst Realität geworden, und der Weltmarkt für Embedded Systems wird in einer Studie des deutschen Branchenverbandes Bitkom und der Unternehmensberatung Roland Berger auf rund 200 Milliarden Euro geschätzt – Tendenz stark steigend. Für Siemens haben sie eine ganz besondere Bedeutung, denn die unsichtbaren Kleinst-Computer stecken in fast allen Produkten des Unternehmens, von den medizinischen Geräten und der Automatisierungstechnik bis zu den Gebäudemanagementsystemen, den Zügen, den Energieverteilungsanlagen oder den Turbinen.

Kein Wunder also, dass Siemens seit Jahrzehnten eine große Expertise auf dem Feld der Software aufgebaut hat: Heute arbeiten 17.000 Programmierer für das Unternehmen, das rund zwei Milliarden Euro pro Jahr alleine in die Software-Forschung investiert. Allerdings sind die Siemens-Aktivitäten keineswegs auf Embedded Systems beschränkt. „Wir sind nach SAP der zweitgrößte Software-Konzern Europas“, sagt Gerhard Kreß, der Projektmanager von „Smart Data to Business“ bei Siemens ist.

Eingebettete Intelligenz

Zunehmend nehmen die Experten auch den Markt für „Vertical IT“ ins Visier. „Unter diesem Begriff versteht man informationstechnologische Lösungen, die speziell für einzelne Branchen maßgeschneidert sind“, erklärt Kreß. „Horizontale IT hingegen eignet sich für viele Branchen gleichzeitig, das sind also zum Beispiel Office-Programme wie Word oder Excel, Software für Einkauf, Vertrieb, Einsatzplanung oder auch Datenbanken. Die Lösungen und Anwendungen in diesem Bereich stehen nicht im Fokus von Siemens.“

Oft baut Vertical IT auf den eingebetteten Systemen auf und bietet den Nutzern dadurch zusätzliche Funktionen: So kann ein Arzt an einem modernen Computertomographen die Bilder dank der eingebetteten Intelligenz zum einen direkt am Bildschirm betrachten – zum anderen lassen sich die Daten mit Hilfe einer integrierten Schnittstelle zur Außenwelt aber auch zu einer Befundungs-Software, etwa syngo.via von Siemens, übertragen. Die unterstützt die Diagnose des Arztes beispielsweise durch den Vergleich mit früheren Aufnahmen. „Das bietet den Ärzten einen eigenen Mehrwert und unterstützt uns zusätzlich beim Verkauf der Hardware“, erklärt Kreß. „Die Vertical IT wird so zu einem wichtigen Wettbewerbsvorteil für Siemens.“

Doch auch die Kunden erhalten dadurch Wettbewerbsvorteile. So konnte ein Autobauer seine Entwicklungszeit fast halbieren, weil er durchgehende Engineering-Lösungen von Siemens nutzt: Die Software NX für Konstruktion, Berechnung und Simulation, Teamcenter für das Management der Produktdaten über den gesamten Lebenszyklus hinweg, Tecnomatix und das TIA-Portal für das Fabrik-Design und die Automatisierung der Produktion sowie das System SIMATIC IT für die Echtzeitprozesse in den Fabriken.

Die Vertical IT wird so zu einem wichtigen Wettbewerbsvorteil für Siemens.

Parallel zur Produktentwicklung können die Autobauer mit solchen Systemen auch gleich die spätere Fabrik im Computer entwerfen, ihre Produktivität optimieren und Maschinen in der virtuellen Welt programmieren – das spart Zeit und Kosten und vermeidet Fehler. Umgekehrt fließen alle Informationen aus der Herstellung wieder zurück in den Entwicklungsprozess – das verbessert die Produkte. Die Nachfrage nach solchen Lösungen ist groß: „Der Markt für horizontale IT wächst jedes Jahr um etwa vier Prozent, aber Vertical IT legt um neun Prozent zu“, rechnet Kreß vor. Darum steht Vertical IT auch im Zentrum der „Siemens IT-Revolution“, die neue Märkte zwischen den traditionellen Siemens-Lösungen und der horizontalen IT erschließen soll.

Talking Tree

Seit neuestem schicken sich intelligente Steuerungszentralen auch an, über ihre Schnittstellen direkt miteinander ins Gespräch zu kommen: Internet der Dinge heißt dieser Trend, und er bedeutet, dass jetzt nach den Menschen auch die Maschinen das weltumspannende Netz erobern. „Wir erwarten 50 Milliarden verbundene Geräte bis zum Jahr 2020“, sagt Ericsson-Chef Hans Vestberg. Das Unternehmen hat sogar schon einen Baum mit einem Embedded System ausgestattet, der Nachrichten ins Internet schickt. „Nehmen wir einmal an, Sie hätten eine Forstwirtschaft“, räsoniert Vestberg. „Wäre es nicht hilfreich zu wissen, wie sich die Bäume fühlen?“

Auch Siemens hat im Sommer 2011 gemeinsam mit der Zeitschrift „Spektrum der Wissenschaft“ eine 150 Jahre alte Eiche im Botanischen Garten von Erlangen mit Messtechnik ausgestattet: Ein Feinstaubsensor und ein Ozonmessgerät erfassen Umweltdaten, ergänzt durch eine Wetterstation und eine Webcam. Per WiFi sendet die Eiche ihre Daten an einen Computer, der sie auswertet und erkennen kann, wie es dem Baum gerade geht. Davon kann sich jeder Internet-Nutzer ein Bild machen – der „Talking Tree“ ist auf Facebook und Twitter aktiv, außerdem lädt er Fotos auf Flickr und Videos auf YouTube.

Maschinen kommunizieren in Gemeinschaften

Natürlich steckt hinter dem Internet der Dinge weit mehr als plakative Aktionen dieser Art. Es wird beispielsweise für technische Optimierungen eingesetzt. So steuert eine Software von Siemens die Windräder eines Windparks so, dass die Gesamtausbeute des Windparks möglichst groß und sein Verschleiß möglichst gering ist. Im künftigen Smart Grid für unsere Stromversorgung sollen Verbraucher wie Waschmaschinen, Kühlanlagen oder Kompressoren mit dem Netz kommunizieren, um Angebot und Nachfrage möglichst genau auszugleichen. Siemens und die Allgäuer Überlandwerk GmbH testen ein solches intelligentes Stromnetz bereits seit über drei Jahren. „Hier herrschen Bedingungen, wie wir sie für 2020 in ganz Deutschland erwarten“, sagt  Michael Fiedeldey, ehemals Technischer Leiter des Unternehmens. Bis dahin könnten auch Autos miteinander und mit ihrer Umgebung sprechen, um Unfälle zu vermeiden und den Verkehrsfluss zu optimieren. Kommt es beispielsweise hinter einer Kurve zu einem Stau, könnten die Fahrzeuge per Funk eine Warnmeldung an alle Autos weiter hinten senden. Maschinen reden mit Maschinen, um Leben zu retten.

Revolution in der Fertigung

Auch viele Industriezweige sind am Internet der Dinge interessiert, weil es in der Fertigung zu einer wahren Revolution führen könnte. Das sagen die Verfechter der deutschen Initiative „Industrie 4.0“, die Teil der Hightech-Strategie der Bundesregierung ist und an der sich auch Siemens beteiligt. In Zukunft könnte die zentrale Fabriksteuerung sogar ganz entfallen – dann sollen Rohlinge und Maschinen während der Produktion in einen Dialog treten und die Abläufe bei der Herstellung weitgehend autonom steuern.

„Jedes Rohprodukt enthält dann ein kleines Embedded System als Mikrowebserver mit Funkschnittstelle, das als sein digitales Produktgedächtnis dient“, erklärt Prof. Dr. Wolfgang Wahlster, Geschäftsführer des Deutschen Forschungszentrums für Künstliche Intelligenz in Saarbrücken. „Es weiß genau, was aus dem Rohprodukt später werden soll, und ruft von den einzelnen Maschinen in der Fabrik selbstständig die benötigten Dienste ab.“

Industrie 4.0

Bottom-up statt Top-down: Dank Internet der Dinge und dezentraler Steuerung soll die Produktion künftig so flexibel werden, dass selbst Einzelfertigungen rentabel würden – das ist wichtig, um Jobs in Hochlohnländern wie Deutschland zu sichern. Zudem lassen sich Maschinen für die gleiche „Dienstleistung“ dann in den Fabrikhallen einfacher gegeneinander austauschen, weil kein Eingriff in eine zentrale Steuerung mehr nötig ist. „Plug and Produce“ nennt Wahlster das in Anspielung auf die „Plug and Play“-Technik beim PC. Das wäre die „vierte industrielle Revolution“ – nach den Umwälzungen durch mechanische Produktionsanlagen, der Massenproduktion mit Hilfe elektrischer Energie und der elektronischen Automatisierung von Produktionsprozessen.

Siemens koordiniert das EU-Projekt „Internet of Things at Work“, das diese neue Flexibilität in der Produktion ermöglichen soll. Außerdem beteiligt sich das Unternehmen im Rahmen von Industrie 4.0 an dem von Wahlster geleiteten BMBF-Projekt „RES-COM“ (Ressourcenschonung durch kontextaktivierte Maschine-zu-Maschine-Kommunikation), das einen schonenden Umgang mit wertvollen Ressourcen wie Energie, Wasser, Luft und Rohstoffen erreichen will.

„Es wäre aber falsch anzunehmen, dass es beim Internet der Dinge nur um das Einsammeln von Sensordaten geht“, erklärt Joachim Walewski von Siemens Corporate Technology. „Wir müssen aus ihnen auch nutzbares Wissen generieren.“ So reicht es nicht, wenn der Sensor in einem Förderfahrzeug einfach einen roten Farbton erkennt: Das System muss wissen, dass das Fahrzeug in einer bestimmten Richtung unterwegs ist und auf eine Ampel zufährt – und sollte daraus den weisen Schluss ziehen, dass es Zeit für eine Bremsung ist.

Gegenstände die ihren Weg selbst finden

In der Logistik ist die Analogie von Datenpaketen und realer Fracht besonders augenfällig, und darum spricht Prof. Dr. Michael ten Hompel, geschäftsführender Leiter des Fraunhofer-Instituts für Materialfluss und Logistik in Dortmund, auch gerne von der „Logistik à la Internet“. Zukünftig sollen auch in den Logistiknetzen die Pakete ihren Weg selbst finden, indem sie mit ihrer Umgebung in Verhandlungen treten. „Besonders eilige Fracht würde dann schneller weiter transportiert werden, während andere Pakete warten müssten“, sagt der Logistik-Experte. Embedded Systems an den Behältern, ausgestattet mit einem Mikroprozessor, Sensoren und einer Funkverbindung, würden aber nicht nur die richtigen Transportrouten finden, sondern beispielsweise auch mit Temperatursensoren verderbliche Ware überwachen und so als Produktgedächtnis dienen.

"Alle IT-Prozesse für die Abwicklung der Fracht ließen sich in die Cloud verlagern.“

Auch die „Computerwolke“ spielt eine zentrale Rolle für die Zukunft der Logistik – also die Idee, Rechenleistung, Software und Speicherplatz nach Bedarf über das Internet zu beziehen. „Alle IT-Prozesse für die Abwicklung der Fracht ließen sich in die Cloud verlagern“, sagt ten Hompel. „Dann ist etwa ein RFID-Scanner nicht mehr mit einem Server in der Lagerhalle, sondern mit einem Computer irgendwo in der Cloud verbunden.“ Dort könnten verschiedene Dienstleistungen wie auf einem Marktplatz darauf warten, von der Fracht auf ihrem Weg vom Sender zum Empfänger abgerufen zu werden – etwa ein Software-Modul, das den Wareneingang erfasst und in einer Datenbank ablegt. Solche kleinen Applikationen ließen sich wie Lego-Steine nach Bedarf zu komplexeren Dienstleistungen zusammenfügen, auch von verschiedenen Anbietern.

Semantische Technologien und das Internet der Dienste

Genau diese Idee steckt hinter dem „Internet der Dienste“: Es will das globale Computernetz in einen Treffpunkt von Software-Modulen verwandeln, die sich dank einheitlicher Schnittstellen problemlos zu höherwertigen Dienstleistungen zusammensetzen lassen. So hat ten Hompels Institut im Duisburger Freihafen bereits ein Verteillager auf Cloud-Technologie umgestellt: „Der Cloud-Server steht in Bocholt und bietet 31 verschiedene „Business-Objekte“ als Software-Module an, etwa für die Lagerverwaltung und den Wareneingang. Sie stammen von rund einem Dutzend unterschiedlicher Hersteller und werden sich problemlos kombinieren lassen, weil alle sich an verbindliche Standards halten.“ Das Lager ließ sich in nur zwei Wochen – statt normalerweise nach Monaten – in Betrieb nehmen.

Das Internet der Dienste kann aber auch unseren Alltag erleichtern: Manche Forscher träumen schon von Online-Marktplätzen, die Services für jedermann anbieten und kombinieren können. Bei einem Rohrbruch müsste dann der gestresste Hausbesitzer nicht mehr mit Handwerkern Termine vereinbaren – ein Hilferuf auf der Service-Plattform („Ich habe einen Rohrbruch!“) würde genügen: Dank semantischer Technologien würde das System das Problem und den Ernst der Lage erkennen. Mit Hilfe der Adresse des Auftraggebers könnte es automatisch die richtigen Handwerker suchen und – gestützt auf die Terminkalender aller Beteiligten – ihren Einsatz koordinieren. Voraussetzung dafür ist eine einheitliche Beschreibung von Dienstleistungen, wie sie die „Unified Service Description Language“ (USDL) leistet. USDL wurde im Rahmen des deutschen IT-Forschungsprogramms „Theseus“ entwickelt, an dem Siemens führend beteiligt war.

Auch im intelligenten Stromnetz von morgen werden autonome Dienste im Internet eine wichtige Rolle spielen – hier in Form von Software-Agenten, die im Auftrag von Verbrauchern und Stromproduzenten selbstständig Energie ein- und verkaufen. Beim Handel an dieser virtuellen Strombörse würden dann die Preise nicht nur von Angebot und Nachfrage abhängen, sondern auch Erfahrungswerte aus der Vergangenheit und aktuelle Vorhersagen über den Energieverbrauch berücksichtigen.

Gebäude mit Gerhirn

Das immense Wissen im Internet wird dann in Zukunft die Grundlage für die Dienstleistungen, zum Beispiel das typische Profil der täglichen Stromnachfrage je nach Jahreszeit, das Verkehrsaufkommen je nach Tageszeit für Routenplaner oder die Wettervorhersage für Systeme der Gebäudeautomatisierung. Denn wenn ein Haus rechtzeitig weiß, dass sich eine Warmfront nähert, kann es schon mal beginnen, die Heizung langsam herunterzufahren. Selbst den bevorstehenden Ausfall einer Komponente kann ein mit Erfahrung angereichertes Netz erkennen: So überwachen moderne Gasturbinen von Siemens ihren Zustand mit tausenden von Sensoren, die ihre Daten an neuronale Netze – eine Art künstliches Gehirn – liefern, um den Wirkungsgrad zu optimieren. Siemens sammelt diese Daten von weltweit rund 400 Anlagen und kann daraus den Verschleiß von Teilen vorhersagen sowie dafür sorgen, dass sie rechtzeitig ausgetauscht werden. Vorausschauende Reparatur statt eines plötzlichen Ausfalls: Gut, dass die Maschinen darüber geredet haben.

 

Christian Buck