Was sind Cyber-physische Systeme (CPS)?
Industrie 4.0 gilt als eine Ausprägung sogenannter Cyber-physischer Systeme (CPS). Das Konzept von CPS lässt sich anschaulich erklären. Betrachten wir dazu ein Beispiel aus dem Straßenverkehr: Heute werden Ampeln autonom oder von einem zentralen Verkehrsleitsystem gesteuert. In einer Umsetzung als CPS würden sich die realen Ampeln in einer zentralen Meldestelle anmelden und eine eigene Identität als Datenobjekt im Netz erhalten. Dort veröffentlichen sie ihre aktuelle Ampelstellung und ihren Zeitplan.
Jede Ampel existiert somit zweimal: als reale Ampel an der Kreuzung und als virtuelle Präsenz im Netz. Dort ist sie neben anderen Ampeln auffindbar. Basierend auf diesen Daten könnten sich zukünftig Fahrzeuge, unabhängig vom Hersteller, in der zentralen Meldestelle mit Hilfe standardisierter Schnittstellen über die Ampelschaltungen informieren und – abhängig von ihrer aktuellen Position – Informationen über die auf ihrer Route liegenden Ampeln abrufen. Die Fahrzeuge passen ihre Geschwindigkeit sinnvoll an oder schalten an der Kreuzung den Motor umweltfreundlich automatisch ab. Künftige Navigationssysteme berechnen individuelle optimale Routen (grüne Wellen) in Abhängigkeit der eigenen Position, des Ziels und unter Berücksichtigung von Verkehrsbehinderungen.
Wenn künftig die Fahrzeuge ihrerseits ihre Positionen, Geschwindigkeiten und Ziele zurück in das Netz einspeisen würden, könnten Dienste die Ampelschaltungen auf Basis des tatsächlichen Verkehrs jederzeit flexibel anpassen. Polizei, Krankenwagen oder Feuerwehrfahrzeuge würden sich sogar „grüne Wellen“ buchen.
Der Neuheitswert dieses Szenarios liegt nicht in einer neuen Technologie, sondern erwächst durch die Kombination verfügbarer Technologien auf neue Weise. Die Verfügbarkeit massenhafter Daten erlaubt die Entwicklung von Diensten, die bisher nicht möglich waren, wie „Routenplanung mit grünen Ampeln“, „Buchen von grünen Wellen“ oder situative Verkehrsleitoptimierung auf Basis von Echtzeitinformationen. In Kombination mit Wetterberichten, Kalenderdaten, Bezahlsystemen, geografischen oder historischen Daten ist ein neuer Grad an Organisation und Planung denkbar, die Möglichkeiten sind verblüffend und endlos.
Zusammengefasst bedeutet dies: Ein CPS benötigt drei verschiedene Ebenen, Bild 1. Erstens die physikalischen Objekte (im Beispiel die Ampeln und Fahrzeuge). Zweitens Daten und Modelle dieser physikalischen Objekte in einer vernetzten Infrastruktur (für teilnehmende Ampeln und Fahrzeuge), hier als Cloud bezeichnet. Drittens werden – basierend auf den ersten beiden Ebenen – neue Produkte und Dienstleistungen entwickelt (zum Beispiel Auswertung der Ampelplanung, Routenplanung für grüne Wellen). Die Ebenen 2 und 3 bilden den Cyber-Anteil des CPS.
Dieses Prinzip ist universell, alle acht Szenarien der Umsetzungsempfehlungen für Industrie 4.0 wie vernetzte Produktion, selbstorganisierende adaptive Logistik oder kundenintegriertes Engineering, lassen sich darauf abbilden.
Technische Ideen und Visionen
Das beschriebene Prinzip von CPS ist die Basis für Industrie 4.0. Wenn man dieses Konzept auf die Industrie übertragen würde, was wäre dort möglich? Industrielle Geräte bekämen künftig eine zweite Identität im Netz und sind dort herstellerübergreifend auffindbar: Bereits dies ist äußerst nützlich für alle Phasen des Anlagenlebenszyklus: für Engineering, Betrieb, Wartung und Service. Sie können im Netz „virtuell“ miteinander zu Systemen verschaltet und dort simuliert werden. Systeme können virtuell integriert, ausprobiert, optimiert oder getestet werden. Digitale Fabrik und virtuelle Inbetriebnahme werden übergreifend zugänglich. Algorithmen für die autonome Optimierung revolutionieren die Produktionsplanung. Verbundene Geräte verhandeln ihre Zusammenarbeit miteinander. Produkte werden intelligent durch die Produktionsstraßen navigiert.
Das „Revolutionäre“ an all diesen Visionen ist nicht so sehr die technische Realisierung, sondern die Fülle an bisher undenkbaren neuen Geschäftsmöglichkeiten, die sich aus der Verfügbarkeit und Kombination von Informationen ergibt. Durch Kombination mit weiteren Diensten (zum Beispiel Flugbuchungsdiensten, Logistikdiensten, Geolocation, historischen Daten usw.) können diese Dienste weiter verbessert werden. Der Fantasie sind hier kaum Grenzen gesetzt. Die umfangreichen Handlungsempfehlungen und Beispielszenarien verdeutlichen dies: Sie sind nicht deshalb umfangreich, weil Industrie 4.0 so komplex ist, sondern weil so viel damit möglich ist.