Vortrag 01_ten_Hompel_Frauenhofer

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ZUKÜNFTIGE HERAUSFORDERUNGEN
INTERNET DER DINGE & INDUSTRIE 4.0
Prof. Dr. Michael ten Hompel ∙ 17. VLB-Logistikfachkongress ∙ Hagen ∙ 2014
© Fraunhofer ·· Seite 1
Produktion und Logistik wandeln sich
 Globaler Wirtschaftswandel

Verschiebung von Wirtschafts- und Logistikströmen → BRIC-Staaten
 Gesellschaftlicher Wandel

Individualisierung, demographischer Wandel, Urbanisierung, Klimawandel…
 Technologischer Wandel

Internet der Dinge und Dienste, 4. industrielle Revolution
Gefördert durch:
Logistik in D ∙ Drittgrößte Branche ∙ ~25% des EU-Umsatzes
© Bundesvereinigung Logistik BVL 2014
Steigender Kostendruck und wachsende
Kundenanforderungen bewegen die Logistik in 2014
Staatliche Regulierung
Globalisierung
steigende Zahl der Beteiligten in der Supply Chain
Auf- und Ausbau von Kooperationen
Zustand der Infrastruktur
Digitalisierung und Automatisierung der Arbeitsabläufe
Standardisierung von Prozessen
zunehmender Fachkräftemangel
Steigende Kundenanforderungen
steigender Kostendruck
0%
Bundesvereinigung Logistik
BVL 2014
20%
40%
60%
80%
Gesamtumsatz und Online-Umsatz
des Versandhandels 2013 [Mrd. Euro]
50
77%
eCommerce-Anteil
45
43,50
40
39,30
35
30
25
34,00
38%
eCommerce-Anteil
26,30
27,60
29,10
28,60
30,30
27,60
20
21,70
18,30
15
10
33,50
15,50
13,40
10,00
10,90
5
0
2006
2007
2008
2009
Versandhandelsumsatz
Quelle: bvh 2013 - www.bvh.info
*Hochrechnung
2010
2011
Davon online
2012
2013*
Analytics and Big Data
© Bundesvereinigung Logistik BVL 2013
18,1
18,13
2010
18,06
16,73
2009
17,42
17
18
17
20
17,64
Umsatzentwicklung in der Getränkeherstellung in D [Mrd.€]
2012
2013s
2014p
16
14
12
10
8
6
4
2
0
2007
Statistisches Bundesamt; IMF
´© Statista 2014
2008
2011
Trend: Individualisierung von Produkt und Verpackung
 Trend «Craft Beer».
 «Deutschlands Brauer stehen für eine weltweit einzigartige Vielfalt und
Qualität von Bieren. Woche für Woche kommen in Deutschland neue,
hochwertige Biere auf den Markt. Nie zuvor hatten die Verbraucher eine
so große Auswahl wie heute.»³
 An die 2000 verschiedene Mehrweg-Kästen und ca. 60 MehrwegflaschenSorten allein im Biersegment.*
 Bei den Top-50-Brauereien liegt der Anteil von 0,5-l-Individualflaschen
bereits bei 22 Prozent.²
 800 Mio Kästen/a und über 17 Mrd. Flaschen/a (0,5 und 0,33 l).²
*Spiegelmacher, K.: Brauwelt NR. 24-25 (2012)
²Fontaine, J.: „Quo Vadis Mehrweg“, 15. VLB Logistik-Fachtagung, 2012.
³Eichele, H.: Pressemitteilung Deutscher Brauer-Bund 14.2.14
Online-Käufer, die Lebensmittel oder Getränke
über das Internet kaufen [D Mio.]
1,56
1,8
1,25
1,4
1,28
1,6
1,73
2
1,2
Diese Statistik zeigt das Ergebnis einer Umfrage in Deutschland
zum Kauf von Lebensmitteln und Getränken über das Internet in
den Jahren 2010 bis 2013. Im Jahr 2012 gab es in der deutschen
Bevölkerung von 14 bis 69 Jahren rund 1,56 Millionen Personen,
die Lebensmittel oder Getränke über das Internet kauften.
1
0,8
0,6
Informationen zur gesamten Stichprobe:
2010: 9.036 Befragte, Hochrechnung auf 54,21 Mio. Personen
0,4
0,2
0
2010
Weitere Info.
Quelle: IfD Allensbach, ACTA-Online
2011
2012
2013
«Explosives» WACHSTUM
Jede Dekade 1.000 mal mehr logistische Daten
 Je Dekade werden 1.000 mal mehr logistische Daten erzeugt und
verarbeitet [Fraunhofer IML]
 2000 war das Internet 21 TByte groß [Google, Pingdom]
 Es könnte heute auf 4 DIN A4 Seiten gespeichert werden.
 2012 erzeugtes Datenvolumen: 2,8 Zettabyte².
 ~ Anzahl der Sandkörner aller Stränden der Erde.
²EMC, Spiegel online, 2.12.2012
Die wichtigsten Trends in der ITK-Branche 2013/14 [ITK D]
Industrie 4.0 / Internet der Dinge 2014
smart Grids/ Smart Metering 2013
2014
2013
Collaboration/ Enterprise 2.0
Enterprise Content / BP Management
IT-Outsourcing
Social Media/ Social Business
Bring Your Own Device (BYOD)
IT-Sicherheit
Big Data / Datability
Mobile Anwendungen
Cloud Computing
0
Quelle: BITKOM, bitkom.org 2013&14
10
20
30
40
50
60
70
Die drei klassischen «Industrielle Revolutionen»
 1. Einführung mechanischer Produktionsanlagen
• Mechanisierung
18.Cen.
 1712 Erfindung der Dampfmaschine
 1784 Erfindung mechanischer Webstuhl (E. Cartwright)
• Elektrifizierung
• Arbeitsteilung
18.Cen.
 2. Arbeitsteilige Massenproduktion und Elektrizität
 1840 Telegraphie und ab ca. 1880 Telefonie
 1920er Taylorismus
 3. Automatisierung von Produktionsprozessen
• Automation
20.Cen.
Altair 8800
Wikipedia, User: Fedi/Test
 1971 erster Mikrocomputer (Altair 8800)
 1976 Apple I (S. Jobs und S. Wozniak)
Die vier «Industriellen Revolutionen»
 1. Einführung mechanischer Produktionsanlagen
• Mechanisierung
18.Cen.
 1712 Erfindung der Dampfmaschine
 1784 Erfindung mechanischer Webstuhl (E. Cartwright)
 2. Arbeitsteilige Massenproduktion und Elektrizität
• Elektrifizierung
• Arbeitsteilung
19.Cen.
 1840 Telegraphie und ab ca. 1880 Telefonie
 1920er Taylorismus
 3. Automatisierung von Produktionsprozessen
• Automation
 1971 erster Mikrocomputer (Altair 8800)
 1976 Apple I (S. Jobs und S. Wozniak)
20.Cen.
 4. Cyber Physical Systems & Internet der Dinge
• Cyber Physical Systems
21.Cen.
 1998 Spring Meeting AutoID (IML) + AutoID Labs (MIT)
 2000er Das Internet der Dinge
 2010 Zellulare Logistik
 2020 Autonome Interaktion und Virtualisierung
Das logistische Grenzleistungs-Paradoxon
 Die (intralogistische) Planung erfolgt im Allgemeinen auf Basis einer
Grenzleistungsberechnung.
 Die resultierende Anlage wird beispielsweise für einen definierten,
maximalen Durchsatz ausgelegt.
 Ändern sich die Anforderungen, muss die Anlage umgeplant werden.
Das hydrostatische Paradoxon
als Bild für das logistische Paradoxon: Unabhängig davon,
was zuvor passiert, bleibt Kraft
und Durchsatz an einer
definierten Stelle des
Materialflusses gleich.
Transformation der Geschäftsprozesse
Migration der cyberphysischen Systeme

Konventionelles System







Industrie 4.0






Klassische Automatisierungspyramide
Hierarchisch organisiert
Deterministisch
Systemanpassung durch Customizing
Applikationsspezifische Lösung
…
Flexibel und wandelbar
Nicht deterministisch
Hochgradig dezentralisiert
Multi-Agenten-Steuerung
Cloud-basiert
…
Virtualisierung der Prozesse in der Cloud
Dezentralisierung durch cyberphysische Systeme
Einführung Industrie 4.0:
Virtualisierung
Cloud ∙ Logistics Mall
Dezentralisierung:
CPS ∙ inBin
Transformation der Geschäftsprozesse
Migration der cyberphysischen Systeme
Einführung Industrie 4.0:
Transformation
der Organisation
Migration
Cyberphysischer Systeme
Industrie 4.0 ∙ Agenten + vertikale und horizontale Vernetzung
Supply Chain Management und Kollaboration in Wertschöpfungsnetzen
Kommunikation
Tracking & Tracing
CPS startet Services
CPS startet BOs
Mission und Strategie
Services und Business Objects in der Cloud
•••
Autonome cyberphysische Systeme
Prozess
Echtzeitfähige Vernetzung auf Basis cyberphysischer Systeme (CPS)
Das Maß der Dezentralisierung und Selbstorganisation
wächst mit der Komplexität der Systeme!
Internet der Dienste
Clouds ∙ Business Objects ∙ Services
INDUSTRIE 4.0
Internet der Dinge
Cyberphysische Systeme ∙ CPS
Cyberphysische Systeme ∙ inBin ∙ smaRTI ∙ DycoNet
Intelligente Ladungsträger
Internet der Dinge
smaRTI ∙ smart Reusable Transport Items
Beispiel Konsumgüterindustrie
 Fehler im Bestellprozess verursachen Verluste zwischen 2 und 3%.
 Transparenz im Distributionsprozess reduziert diese Quote unter 0,5%.
 Der Verlust von Paletten lässt sich um bis zu 50% reduzieren.
 Weniger Verlust und höhere Effizienz reduzieren den Bestand um 10%.
 Entspricht 2% mehr Umsatz (ca. 8 Mrd. €) für den deutschen Handel.
 Mars, Rewe, Chep und Fraunhofer IML erhielten den ECR-AWARD 2013.
smaRTI ∙ smart Reusable Transport Items
 smaRTI verbindet Unternehmen mit intelligenten Ladungsträger.
 Voll kompatibel zu den bestehenden Standards von EPCglobal.
 Empfehlung der GS1 Ad-hoc Gruppe „intelligente Palette“ umgesetzt.
 Unterstützt hybride AutoID-Technologien: Barcode (1D/2D) und RFID.
 Arbeitet eventbasiert mit seriell gekennzeichneten Ladungsträgern.
CPS in der Logistik : smart Label ∙ inBin ∙ smart ULD
 smart Label als intelligente Lagerplatzbeschriftungen
Partner: Debrunner
 inBin der intelligente Behälter mit Mensch-Maschine-Schnittstelle
Partner: Würth
 smart ULD ∙ Intelligenter Luftfrachtcontainer
Integration in bestehende Flughafen IT-Systeme
Partner: Lufthansa Cargo ∙ Jettainer ∙ Innotec ∙ Enocean ∙ PalNet
Bildquellen: Jettainer, Fraunhofer IML
inBin – patentierter intelligenter Behälter
Kommunikation zu Mensch & Cloud ∙ Inventur ∙ Picking …
Selbstversorger
Energy Harvesting mit 400lx Solarzelle
ePaper-Grafik-Display
hochauflösend für Texte,
Grafiken und Barcodes
256bit Kryptokern
separater Prozessorkern zur
asymmetrischen Verschlüsselung
Energiespeicher
7.000 Telegramme
ohne Nachladen
32 Bit μProzessor
bis zu 25 MHz, 512K
Kommunikativ
iOS Interface für iPAD
© inBin ist eine Marke
der Fraunhofer-Gesellschaft
iBin - Behälter mit Augenmaß
Mit einer integrierten Kamera
und im Zusammenspiel mit seiner Cloud
zählt der iBin die Teile, die in ihm liegen.
Cyberphysische Systeme ∙ inBin ∙ smaRTI ∙ DycoNet
Zellulare Transportsysteme
Internet der Dinge
Zellulare Transportsysteme ∙ Schwärmen für Industrie 4.0
 Unflexible Fördertechnik durch kleine autonome
Transporteinheiten ersetzen.
 Selbststeuerung nach dem Internet der Dinge Prinzip
 Schwarmintelligenz zur Bewältigung komplexer
Transportaufgaben nutzen
 Autonom Einzeltransporte bewältigen
 Steigerung von:
 Wandelbarkeit
 Skalierbarkeit
 Flexibilität
 Transportleistung genau dort, wo sie benötigt wird!
Zellulare Transportsysteme ∙ Schwärmen für Industrie 4.0
Lokalisierung
 Lokalisierung von ZFT mittels Sicherheits-Laserscanner
 Eigenposition der Fahrzeuge wird durch Fusion der
Laserscannerdaten mit der Fahrzeugodometrie bestimmt.
 Nutzung von probabilistischen Algorithmen und Sensormodellen
 Lokalisierung der Arbeitsstationen über Reflektoren
 Schnelle und sichere Identifikation relevanter Streckenpunkte
 Erreichbare Genauigkeiten bei der Positionierung: ± 1 cm
Video ZFT Sensor Simulation:
www.verosim-solution.de
BILOC ∙ LOCATIVE ∙ Cyberphysisches Transportsystem
Einfach aufgebaut ∙ Preiswert ∙ Autonom Dank KammLAM
 LOCATIVE das preiswerte, autonome Transportfahrzeug für Industrie 4.0
 Patentierte autom. Lastaufnahme KammLAM für Standard-Behälter
 Low-Cost-Cyberphysisches-System zur Steuerung und Kommunikation
 Low-Cost-Spurführung mit Kamera (entwickelt by Fraunhofer)
 Differentialantrieb mit BLDC-Motoren und Rückspeisung
 2-Schicht-Betrieb mit 26 V / 15Ah LiFePO4 Akkumulator
 8 kg Eigengewicht und max. 12 kg Lastgewicht
 IR-Abstandssensoren
Autonomes Fliegen : INVENTAIRY
Die dritte Dimension des Internet der Dinge
Cloud ∙ Logistics Mall ∙ Business Objects ∙ Hybride Dienste
Cloud ∙ Logistics Mall®
Internet der Dinge
Logistics Mall ist eine
eingetragene Marke der FhG
Die «Unschärferelation» der Logistik
 Die Standardisierung einer Sache wie zum Beispiel einer Schraube ist
möglich, da die Sache selbst und deren Verhalten determinierbar ist.
 Eine Prozesskette setzt eine Folge von Ereignissen voraus, deren
Eintreffen geplant aber nicht vollständig deterministisch ist. Spätestens
bei der ersten (nicht kausalen, ungeplanten) Störung wird der Versuch
die Prozesskette zu standardisieren durchbrochen.
 Standardisierung von Prozessketten setzt eine vorhersagbare Zukunft
voraus.
Maß
Zeit
Die «Unschärferelation» der Logistik
 Es gibt -auch in der Logistik- nur eine endliche Wahrscheinlichkeit für das
Eintreffen einer Folge von Ereignissen.
 Je genauer die Wahrscheinlichkeit bestimmt werden soll, mit der ein
Ereignis eintrifft, um so größer wird die Menge der zugrunde liegenden
Ereignisse, Daten und Relationen.
 Je genauer ein Prozess vorbestimmt wird, um so unwahrscheinlicher wird
er in geplanter Form und zu vorbestimmter Zeit eintreffen.
Maß
Zeit
Virtualisierung in der Cloud sorgt für Komplexitätsreduktion
IT-Landschaft: Heute
Virtualisierung in der Cloud sorgt für Komplexitätsreduktion
Virtualisierte IT-Landschaft: MORGEN
Logistikzentrum komplett in der Cloud
IT CENTRE BOCHOLT
 Die WM-Logistik bietet Logistikdienstleistungen für
namhafte national, europäisch und weltweit
operierende Kunden.
 Einsatz der Mall an den Standorten Duisburg, Velpe,
Bocholt und Hamminkeln
 Sämtliche Software für den operativen Betrieb wird
browserbasiert zur Verfügung gestellt:
Lagerverwaltung (mission critical), Office, Email
DISTRIBUTION CENTRE DUISBURG
 Mitarbeiter finden dieselbe Arbeitsumgebung an
allen Standorten
 Die IT Kosten haben sich um 35% verringert
 Verwaltung werden Bodenblockläger, Automatische
Hochregalläger, Kommissionierungsbereiche,
Spirituosen-/Zollsperrlager
 www.wm-logistik.de
09.06.12
Wissen als Rohstoff ∙ COASTER ∙ Knowledge Connection
Mensch & Industrie 4.0
Internet der Dinge
Apps nach Bedarf aus der Cloud auf den COASTER laden
Software wie WMS, ERP etc. in der Cloud betreiben
INDUSTRIE 4.0
Internet der Dinge
«SOCIAL MANUFACTURING and LOGISTICS»
 Die klassische «Mensch-Maschine-Schnittstelle» wandelt sich.
 Aus punktueller Kommunikation wird individuelle Interaktion.
 Vorher: Der Mensch tritt an ein Terminal / an eine Maschine
 Nachher: Der Mensch ist über ein «Assistant Device» permanent mit
den «Social Networks» einer Industrie 4.0 verbunden.
Er kommuniziert mit anderen Menschen wie mit cyberphysische
Systemen.
Menschen & Avatare
 Die Interaktion zwischen Mensch und Maschine findet ausschließlich über
sein persönliches Device statt.
 Der Mensch erfüllt eine Aufgabe
 Z. B. Instandhalten, Prüfen, Kommissioniren, Fahren eines Staplers…
 Einer Aufgabe untergeordnet sind Missionen, die (wie beim CPS) von
der normativen Ebene an einen Avatar und übertragen werden
 Ein Avatar repräsentiert die Fähigkeiten und Fertigkeiten und damit
letztlich die Aufgabe seines Menschen im (Produktions-)Prozess.
Menschen & Avatare & CPS
NORMATIVE EBENE
Arbeitsorganisation gem.
übergeordneter Strategie
Missionen gem.
übergeordneter Strategie
Menschen
Avatare & CPS
Interagieren, Prüfen, Steuern
Echtzeitfähige Interaktion
OPERATIVE EBENE
Industrie 4.0 : Mensch + vertikale und horizontale Vernetzung
Supply Chain Management und Kollaboration in Wertschöpfungsnetzen
Kommunikation
Tracking & Tracing
Mensch startet Service
Mensch startet Avatar
Mission und Strategie
Avatare, Services, Business Objects i.d. Cloud
•••
Interaktion Mensch & CPS
Prozess
Echtzeitfähige Vernetzung auf Basis cyberphysischer Systeme (CPS)
Soziotechnisches System
Strategische und normative Vorgaben, Vernetzung mit Wertschöpfungsketten
Autonomes technologisches
System: CPS, Vernetzung etc.
Arbeitsorganisation:
•
•
•
•
Mitarbeiter:
•
•
•
•
Aufgabenstruktur
Qualifikationen
Handlungsspielräume
etc.
Quelle: Hirsch-Kreinsen, H.; TU Dortmund
Lehrstuhl Wirtschafts- und Industriesoziologie: LWIS
ten Hompel, M.; Fraunhofer IML
Arbeitsteilung
Hierarchie
Kooperation
etc.
Soziotechnisches System
Strategische und normative Vorgaben, Vernetzung mit Wertschöpfungsketten
Arbeitsorganisation:
Mission
Mitarbeiter:
•
•
•
•
Aufgabenstruktur
Qualifikationen
Handlungsspielräume
etc.
Quelle: Hirsch-Kreinsen, H.; TU Dortmund
Lehrstuhl Wirtschafts- und Industriesoziologie: LWIS
ten Hompel, M.; Fraunhofer IML
•
•
•
•
Arbeitsteilung
Hierarchie
Kooperation
etc.
ALL YOU NEED FITS ON A COASTER!
Der COASTER – Alles was wirklich wichtig ist, passt auf einen Bierdeckel!
Rolf Handke / pixelio.de
COASTER verbindet den Menschen mit Industrie 4.0
Industrietaugliches(!), persönliches Device Made in Germany
 Multiaxiales Bediensystem
 Mit Handschuhen bedienbar
 Keine «fummeligen» Mikrotasten
 Integrierte Kamera, WLAN, Bluetooth
 App Store mit vielen weiteren
Funktionen. In der Entwicklung u.A.:
 2D Barcode
 Google Glasses
 SAP-Schnittstelle
 …
 Induktive Ladeschale
 …
coaster in der Logistics Mall:
Auswahl einer App innerhalb der Prozesskategorie
Auch das ist Industrie 4.0!
Mengenerfassung im Mehrwegkreislauf
 Hoher manueller Aufwand beim Zählen von
Ladehilfsmitteln (LHM) wie Steigen und Kisten
 im WA der Filiale
 bei Abholung
 im Zentrallager
 Übertragungsfehler bei manueller Verbuchung
 Technische Lösungen häufig stationär oder teuer
 Hohe Bestandsfehler bei nur (halb)jährlichem Zählen
der Beständen
 Standarddienste aus der Cloud (smaRTI Cloud) im
Zusammenspiel mit einer App auf einem PAD oder
dem COASTER sorgen für Transparenz.
 Zählen und Identifikation durch Bildanalyse
Bildquelle: IFCO SYSTEMS; Microsoft; Fraunhofer;
van Melis, Golembewski, Wengert // pixelio.de;
Benchmarking
wesentlicher Teil des Transformationsprozesses
Bauernhansl, T.: Industrie 4.0 Readiness,
Fachkongress Industrie 4.0; 5.12.13
Industrie 4.0 erfordert neue Formen der Zusammenarbeit
zwischen Wirtschaft und Wissenschaft
Forschung ist die Umwandlung
von Geld in Wissen…
LogistikCampus
Dr. Alfred Oberholz, Verband Chem.Industrie,
Der LogistikCampus wurde gefördert durch:
Innovation ist die Umwandlung
von Wissen in Geld
Competence Center
Das 20. Jahrhundert mobilisierte den Menschen.
Das 21. Jahrhundert mobilisiert die Dinge.
Wenn wir unsere Chance nutzen,
wird dies das Jahrhundert der Logistik!
© EffizienzCluster LogistikRuhr, gefördert durch:
ZUKÜNFTIGE HERAUSFORDERUNGEN
INTERNET DER DINGE & INDUSTRIE 4.0
Prof. Dr. Michael ten Hompel ∙ 17. VLB-Logistikfachkongress ∙ Hagen ∙ 2014

Vortrag 01_ten_Hompel_Frauenhofer

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