Systems Engineering als Schlüssel für autonom wandelbare Industrie 4.0-Systeme

– Wie sich intelligente Produktionssysteme an neue Situationen anpassen können

Autonomie und Wandelbarkeit als zentrale Aspekte von Industrie 4.0-Systemen 

Die deutsche produzierende Industrie steht unter massivem Wettbewerbs- und Anpassungsdruck. Globale Konkurrenz, fragile Lieferketten, geopolitische Krisen und der Klimawandel erfordern eine Transformation in Richtung hochleistungsfähige und gleichzeitig anpassungsfähige, nachhaltige Wertschöpfung. Diese sollte sich digitale Ökosysteme zunutze machen und sich darauf konzentrieren, Leistungen situationsgerecht, auf die jeweilige Kundenanforderung ausgerichtet und kollaborativ zu erbringen.

Industrie 4.0 bietet dafür Lösungen, indem sie Autonomie und Wandelbarkeit in intelligent vernetzten Produktionssystemen miteinander verknüpft. Autonome Systeme können eigenständig Entscheidungen treffen und sich an veränderte Bedingungen anpassen. Die Wandelbarkeit erlaubt es Unternehmen, ihre Produktionssysteme technisch und akteursbezogen, schnell und effizient auf neue Bedarfe auszurichten. Autonomie und Wandelbarkeit in Industrie 4.0-Systemen basieren dabei auf verschiedenen Technologien und Konzepten. Internet of Things (IoT) und künstliche Intelligenz (KI) spielen eine zentrale Rolle. Von zentraler Bedeutung ist die intelligente Vernetzung von Maschinen und Geräten. Diese schafft die Voraussetzung dafür, dass selbstgesteuert Entscheidungen getroffen und Prozesse optimiert werden können.

Aktuell befinden sich autonom wandelbare Industrie 4.0-Systeme noch im Stadium der konzeptionellen Zukunftsvision, wobei ihr Potenzial als zukunftsweisende Entwicklung zur längerfristigen Sicherung des Produktions- und Innovationsstandorts Deutschland erkannt ist. Die Expertise des Forschungsbeirats Industrie 4.0  – Deutsche Akademie der Technikwissenschaften (Herausgeber) untersucht das Konzept der autonom wandelbaren Industrie 4.0-Systeme im Detail und geht dabei auch der Frage nach, wie sich solche Produktionssysteme der Zukunft mithilfe des integrativen Systems Engineering Ansatzes realisieren lassen. Die Publikation steht hier kostenlos zum Download bereit.

Autonom wandelbare Industrie 4.0-Systeme

Unter autonom wandelbaren Industrie 4.0 Systemen versteht man vernetzte Produktionssysteme, die in der Lage sind, sich selbstständig an neue Bedingungen anzupassen und Veränderungen vorzunehmen. Dies umfasst die automatisierte und situationsgerechte Anpassung des Produktionssystems ohne menschliches Eingreifen sowie die Anpassung des Produkts oder der Produktfamilie, um diese besser produzieren zu können. Der Einsatz von KI dient dazu, Daten zu analysieren, Zustände vorherzusagen und Entscheidungen zu fundieren. Solche zukunftsweisenden Produktionssysteme ermöglichen neue Leistungssprünge im Gesamtsystem einer nachhaltigen Produktion. So trägt der Einsatz fortgeschrittener technischer Intelligenz dazu bei, dass sich die Systeme situationsgerecht und nahezu in Echtzeit auf lokale Störungen bzw. Änderungen – sei es auf der Ebene des Fertigungsprozesses, der Supply Chain oder des kollaborativen Wertschöpfungssystems – anpassen können. Die kontinuierliche dezentrale Selbstbewertung und -anpassung ist dabei stets auf die Optimierung des Gesamtsystems entsprechend den vorgegebenen Zielparametern wie Produktivität, Qualität, Effizienz, Resilienz etc. ausgerichtet.

Systems Engineering in Unternehmen

Systems Engineering ist ein ganzheitlicher Ansatz zur Gestaltung komplexer Systeme, wie er zum Beispiel in der Luft- und Raumfahrt eingesetzt wird. Übertragen auf die Gestaltung autonom wandelbarer Produktionssysteme, kann dieser Ansatz konkret dabei helfen, die verschiedenen Teildisziplinen beispielsweise der Produkt- und Produktionsentwicklung mit Blick auf den größten gemeinsamen Gesamtnutzen in ein Systemmodell zu integrieren.
In Zukunft werden (Produktions-)Systeme in immer engerer Zusammenarbeit verschiedener Fachgebiete wie der Ingenieurwissenschaften, der Naturwissenschaften, der Informatik, der Soziologie, Psychologie oder Arbeitswissenschaft entstehen. Die zunehmende Integration und Vernetzung dieser Fachgebiete sowie die steigende Komplexität in Planung, Entwicklung, Produktion und Betrieb erfordern ein ganzheitliches und interdisziplinäres Systems Engineering.

Zur Unterstützung des erforderlichen Wandels in den Unternehmen benennt die Expertise entsprechend drei Handlungsfelder:

a) Stärkung der Kollaboration, das heißt der zielgerichteten disziplin-, bereichs- und organisationsübergreifenden Vernetzung und Zusammenarbeit im Engineering
b) Weiterentwicklung von Engineering-Methoden und entsprechender Standards für die nächste Evolutionsstufe in der Produktionssystementwicklung
c) Investition in Wissen und Bildung zum Aufbau und zur nachhaltigen Sicherung der benötigten Engineering-Kompetenzen in Deutschland

Chancen und Herausforderungen von Systems Engineering

Systems Engineering von autonom wandelbaren Industrie 4.0-Systemen birgt für Unternehmen zahlreiche Chancen auf Effizienzsteigerungen, Kosteneinsparungen und Qualitätssicherung. Der Einsatz von KI kann die Flexibilität und Anpassungsfähigkeit der Produktion verbessern und das Innovationspotenzial durch interdisziplinäre Zusammenarbeit steigern. Personalisierte Lösungen können den Kundennutzen erhöhen und für mehr Nachhaltigkeit sorgen.
Es kommen jedoch auch neue Herausforderungen auf die Unternehmen zu. Die neun identifizierten Herausforderungen umfassen die Komplexität der Integration neuer Technologien, fehlende digitale Durchgängigkeit, organisatorische Trennung von Produkt- und Produktionssystementwicklung, Datensicherheit und Datenschutz, unklare Nutzenpotenziale, Fachkräftemangel, fehlende Beschreibungsmodelle und Vorgehensweisen, rechtliche und regulatorische Barrieren sowie mangelnde Standardisierung.

Der aktuelle Entwicklungsstand der Industrie

Die Expertise des Forschungsbeirats zeigt in vier Best Practices, wie sich Pioniere aus der Industrie bereits auf den Weg in Richtung autonom wandelbare Industrie 4.0-Systeme gemacht haben. So hat zum Beispiel ein Unternehmen aus der Automobilindustrie in seiner „Fabrik der Zukunft“ ein hochmodernes, vernetztes Produktionssystem mit Industrie 4.0-Technologien eingeführt, um die Effizienz und Flexibilität der Produktionsprozesse deutlich zu steigern. Auch das Smart-Factory-Beispiel eines Automobilzulieferers zeigt, wie mithilfe durchgehend digitaler Geschäftsprozesse von der Auftragserstellung über die Produktentwicklung und Konstruktion bis zur Fertigung die Wandlungsfähigkeit deutlich erhöht und die Durchlaufzeit bei der Abwicklung von Einzelaufträgen auf unter zehn Prozent reduziert werden kann.

Die in der Expertise vorgestellten Best-Practice-Beispiele beschreiben digitale Vorzeigeprojekte der Industrie, adressieren aber jeweils nur Teilaspekte von autonom wandelbaren Industrie 4.0-Systemen der Zukunft. Die Lücke zwischen dem Stand der Forschung und der industriellen Entwicklungspraxis ist nach wie vor groß. Während die Forschung daran arbeitet, ein umfassendes Verständnis und integrierte Ansätze zur ganzheitlich orientierten, systemischen Verknüpfung von Autonomie und Wandelbarkeit in intelligent vernetzten Produktionssystemen zu entwickeln, arbeitet die Industrie insbesondere an speziellen Lösungsansätzen zur Erreichung spezifischer Geschäftsziele wie Effizienz- und Produktivitätssteigerungen.
Die geführten Interviews mit Engineering- und Industrie 4.0-Experten zeigen, dass es schlichtweg an praktischer Erfahrung mangelt und spezifische Kompetenzen erforderlich sind, um die Vision von autonom wandelbaren Industrie 4.0-Systemen in greifbare Realität zu überführen. Die Expertise hat entsprechend Kompetenzprofile erarbeitet und gibt in drei übergeordneten Handlungsfeldern – nämlich Kollaborationen zwischen Engineering-Bereichen, Weiterentwicklung von Engineering-Methoden und Investition in Wissen und Bildung – konkrete Handlungsempfehlungen an Industrie, Wissenschaft und Politik.

Insgesamt lässt sich also sagen, dass wir noch ein gutes Stück Wegstrecke vor uns haben, wie auch die Engineering Roadmap des Forschungsbeirats zeigt. Es gibt in den kommenden zehn Jahren noch etliche Fragen zu beantworten und Lösungen zu finden. Wir haben in Deutschland gute Voraussetzungen, die Fähigkeit zum Engineering komplexer, autonom wandelbarer Industrie 4.0-Systeme als ein Alleinstellungsmerkmal im globalen Wettbewerb zu etablieren. Diese Chance sollten wir nutzen für mehr Produktivität und Wettbewerbsfähigkeit am Forschungs-, Innovations- und Produktionsstandort Deutschland.