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Internet der Dinge –technische Entwicklungen
und Auswirkungen auf die Arbeitswelt
Ernst A. HartmannErnst A. Hartmann
Institut fInstitut füür Innovation und Technik, Berlinr Innovation und Technik, Berlin
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Themen
• IoT- was ist das?
• IoT und RFID in der Logistik
• IoT im Gesundheitswesen
• IoT in der Produktion
Das Internet der Dinge
• Im Internet der Dinge (englisch „Internet of Things“, abgekürzt „IoT“) wird die digitale Vernetzung, die aus dem Internet bekannt ist, auf die reale Welt ausgedehnt.
• Damit soll es möglich werden, dass beliebige Objekte(Konsumgüter, Kleidung, Werkstücke, Tickets, Haushaltsgeräte, Maschinen, Transport- und Verkehrsmittel, Pflanzen und Tiere. Personen etc.) identifizierbar, lokalisierbar und miteinander korrelierbar sind.
• Egal, ob in derselben Fabrikhalle oder auf zwei Kontinenten: Informationen über die unterschiedlichsten Gegenstände können miteinander verknüpft, ausgetauscht und verarbeitet werden.
• Die Dinge können dabei passiv sein, indem sie lediglich ihre Identifizierung ermöglichen oder aber auch selbst Informationen verarbeiten und aktiv auf Änderungen reagieren.
• Auf diese Weise werden Alltagsgegenstände zu „smart objects“, die miteinander vernetzt sind, auf ihre Umgebung reagieren und mit ihren Nutzern interagieren.
Vom RFID-Transponder zum Internet der Dinge
Der Vorläufer:Barcode
Weit verbreitet: Passive Transponder ohne Intelligenz
In der FuE-Pipeline: Aktive Smart Label mit Sensor und Batterie
Die Vision:Autonome intelligenteSensorennetzwerke, Polymer-Tags, Zusatzfunktionen
Vom Barcode zu RFID
• Im Internet der Dinge sollen Informationen zwischen realen „Dingen“ausgetauscht werden. Zum Beispiel sollen sich Postsendungen eigenständig ihren Weg suchen, da sie und die umgebende Netzwerkstruktur „wissen“, wohin sie müssen. Damit solche realen Pakete Anschluss an das Internet der Dinge finden, benötigen sie eine eindeutige digitale Identifizierung.
• Zur Identifizierung von Waren gibt es seit 20 Jahren den Barcode.• Seit einigen Jahren wird verstärkt die Radio Frequency Identification (RFID)
eingesetzt. Mit Hilfe von RFID können heute beispielsweise Güter während ihres Transports verfolgt oder Zugänge zu Betriebsräumen kontrolliert und dokumentiert werden.
• Die RFID-Technologie wird als entscheidende Voraussetzung für das Internet der Dinge angesehen, da sie Dinge der realen Welt direkt mit digitalen Prozessen der Kommunikation und Informationsverarbeitung verbindet.
• Die Information, die gegenwärtige passive RFID-Chips in sich tragen, besteht aus einer mehrstelligen Zahlenfolge, die nach einem bestimmten System/Standard strukturiert ist. Über diese Nummer kann das Produkt, das den Chip trägt, über eine Datenbank mit anderen Informationen korreliert werden; etwa Herstellungsland, Mindesthaltbarkeitsdatum oder auch die Anweisung, wie das Stück weiterbearbeitet werden muss.
Vorder- und Rückansicht eines RFID-Labels
vorne: zusätzlich aufgedruckter Barcode; hinten: Antenne und Chip sind sichtbar
Quelle: Fraunhofer IPM, Schreiner Group GmbH
Von RFID zu IoT
• Neben dem Ansatz passiver RFID-tags gibt es auch Bestrebungen, RFID-Chips mittels Mikrosystemtechnik weiter zu entwickeln und ihnen zusätzliche Funktionalitäten zu geben.
• So sind größere Speicherkapazitäten möglich, die umfassendere Informationen ohne eine hinterlegte Datenbank direkt auf dem Chipbereitstellen. Zudem können Speicher nicht nur ausgelesen, sondern auch beschrieben werden.
• Somit können die Chips neue Informationen speichern, die sie beispielsweise über Sensoren aus der Umwelt aufnehmen oder von anderen Geräten/tags empfangen.
• Neben der eindeutigen Identifikation bieten solche Chips oder die künftig weiter miniaturisierte Variante der e-Grains – vernetzbare, mobile Kleinstrechner – viele Funktionen, die sie und die damit ausgestatteten Dinge zu „smart objects“ machen, die miteinander kommunizieren und automatisierte Prozesse ausführen können.
• Auf der Grundlage der „smart objects“, die sich kaum wahrnehmbar in Alltagsgegenstände integrieren oder diese selbst „intelligent“ machen, und der „Intelligenz“ (besser: die universelle Verfügbarkeit von Informationen) die im Internet steckt, formiert sich das Internet der Dinge.
Das Internet der Dinge als Beispiel für zentrale technologische Entwicklungen
• Miniaturisierung/Systemintegration,
• Konvergenz
• Dezentralisierung
• Vernetzung
• Selbstorganisation
Funktionen von RFID in der Logistik
• Die örtliche und zeitliche Verfolgung des Warenstroms und der Warenträger („Tracking & Tracing“), um beispielsweise Irrläufer und Fehllieferungen zu vermeiden.
• Die Beobachtung der durchlaufenen Zustände oder Behandlungsweisen mittels Sensorik.
• Die dynamische, pro-aktive oder analytische Prozessoptimierung (z. B. die optimierte Nutzung von Ressourcen, Kosten- und Auslastungsanalysen).
• Die Unterstützung bei der Klärung von Haftungs- bzw. Rechtsfragen (z. B. bei Schäden, Verlusten, Fälschungen).
• Die Automatisierung der Prozesssteuerung (z. B. Vermeidung von Stillständen, Vermeidung von Fehlladungen).
• Die Automatisierung von Warenkontrollen (z. B. Kontrollen in Bezug auf Produktfälschungen)
• Die Automatisierung von Informationsflüssen (z. B. automatisierte Abrechnung; Wegfall manueller Bestandsaufnahme; Reduktion von Daten-bzw. Dokumentationsfehlern).
Auswirkungen in Gesellschaft und Arbeitswelt (1)
• Angesichts Outsourcing und der Verlagerung von Tätigkeiten an Zulieferer, verteilter Fertigungsprozesse an unterschiedlichen Standorten, Verringerung von Lagerbeständen durch just in time Produktion etc. kommt der Logistik eine Schlüsselrolle zu. Der RFID-Einsatz wird zu einer Verstärkung der genannten Veränderungsprozesse mit beitragen.
• Für diese Services bietet das Internet der Dinge ein umfassendes Werkzeug, das nicht ohne Einfluss auf die Anzahl und Arbeitsinhalte der in der Logistikbranche Tätigen bleiben wird. Während einfache Tätigkeiten durch die Rationalisierungs- und Automatisierungspotenziale wegfallen werden, werden gleichzeitighöhere Anforderungen an die verbleibenden Arbeiten durch eine Ausweitung und Spezialisierung der Aufgaben gestellt. Dabei wirddie Logistik Inhalte (und Beschäftigte) aus der Produktion, der Konsumgüterindustrie und dem Handel übernehmen, die dort teilweise wegfallen werden.
Auswirkungen in Gesellschaft und Arbeitswelt (2)
• Ein Kernelement des Einsatzes von RFID im Bereich der Logistik betrifft die möglichst lückenlose Lokalisierung und Zuordnung von Waren, Dienstleistungen und Produktionsschritten. Die dabei tätigen Beschäftigten werden potenziell ebenfalls erfasst und lokalisierbar. Damit stellt sich noch dringlicher die Frage nach dem Schutz vonPrivacy-Rechten.
• Unter Nachhaltigkeitsgesichtspunkten verspricht der RFID-Einsatzzunächst eine effizientere Ressourcenplanung und damit zumindest potenziell weniger Verbrauch von Energie und Material. Bei den neu geschaffenen Möglichkeiten der logistischen Steuerung und sinkenden Kosten fragt sich allerdings, ob eine attraktivere Logistik nicht neue logistische Prozesse erst generiert, so wie bessere Straßen zu mehr Verkehr führen.
Roadmap RFID/Logistik
Einfluss-faktoren
Heute 2010 2015 t
Enabling
Technologies
Entwicklungdes Themen-
schwerpunkts
Aus-wirkungen
EPG-GlobalStandard industrie-übergreifend
Standardisierung
Protokolle+
Daten
Netzwerke+
Dienste
Frequenzvergabeund Grenzwerte
Privacy
Preis Schutz betrieblicherDaten
Schutz derArbeitnehmerrechte
-Sensorik -Rechenkapazität -Aktorik -Energiemanagement-Displays -Speicher
Ad hocNetzwerke
Verschlüsselungs-technologien:Anpassung, kryptogr.Verfahren
Echtzeitanpassungvon ERP-Systemen
EntsorgungsfreundlicheDesignkonzepte(“green electronic“)
Polymerelektronikfür RFID
digitaleAusweise
Tag miterweiterterFunktion
item-taggingtechnischmöglich
Sensoren-Netzwerke
tagging vonContainern,Paletten
FälschungssicherheitPharma/hochwertigeErsatzteile
Neue Recycling-Konzepte
Online-Verfolgungeinzelner Güter/Produkte
Rationalisierung
automatisierte Produktions- undLogistikverfahren
IoT im Gesundheitswesen (1)
• Im Bereich Gesundheit und Pflege erfolgt eine zunehmende Technisierung der Patientenversorgung. Neben den technischen Diagnose- und Therapiemethoden kommt es auch im Bereich der Organisation und im Prozess-Management zu einer immer stärkeren Vernetzung. Dies betrifft die Vernetzung einzelner Bereiche innerhalb eines Klinikums ebenso wie die Vernetzung unterschiedlicher medizinischer Praxen und Zentren.
• Wichtige Säulen für eine solche Entwicklung sind beispielsweise die elektronische Patientenakte (eine einfache Version wird eine zukünftige Stufe der elektronischen Gesundheitskarte bieten) oder telematische Anwendungen.
IoT im Gesundheitswesen (2)
• Der Einsatz von Technologien des Internets der Dinge schafft die Voraussetzung dafür, dass auch der häusliche Bereich in das Gesundheits- und Pflegesystem einbezogen wird. Telematische Home-Monitoring-Systeme, die es ermöglichen, wichtige Körperfunktionen von Patienten in ihrer gewohnten Umgebung zu erfassen, sind hier nur ein erster Schritt.
• Bereits in naher Zukunft ist damit zu rechnen, dass technische Elemente, die aus dem Bereich des „intelligenten Hauses“ und der so genannten „Domotik“stammen, mit autonomen und vernetzten Monitoring-Systemen verschmelzen.
IoT im Gesundheitswesen (3)
• „Ambient Assisted Living“ (AAL) beschreibt die Möglichkeit, dass durch eine technische Infrastruktur in Kombination mit „intelligenten Objekten“ eine Umgebung entsteht, die Patienten oder alte und gebrechliche Menschen aktiv in ihrem gewohnten Umfeld (Haushalt)unterstützt – das technische System soll sie dabei nicht durch eine Vollautomatisierung entmündigen, sondern ihnen situationsabhängig gleichsam „unter die Arme greifen“.
• Sowohl technisch als auch gesundheitsökonomisch und gesellschaftlich birgt das Thema AAL viele unbeantwortete Fragen. Dazu gehören Aspekte wie Auswirkungen auf die Qualität von Diagnose, Therapie und Pflege ebenso wie mögliche Kostenmodelle, der Schutz der Privatsphäre, etc. Und unklar ist auch, ob es überhaupt eine ausreichende gesellschaftliche Akzeptanz für die Technisierung von Gesundheit und Pflege gibt.
• Die Veränderung von Berufsbildern und -qualifikationen wird nicht nur den medizinisch-pflegerischen Bereich betreffen, sondern auch kaufmännische und technische Berufe im Bereich der Wohnungswirtschaft / des Facility Management, der Haustechnik, der IuK-Technik etc. Der Bedarf an interdisziplinären Qualifikationen an diesen ‚Schnittstellen‘ wird steigen.
Fabrikkonzepte (1)
• Die letzte große, ambitionierte Technologiewelle in diesem Bereich war das Computer Integrated Manufacturing (CIM) der Achtziger-und Neunzigerjahre. Wenn auch die Vision der rechnerintegrierten, zentral gesteuerten und weitgehend menschlosen Fabrik so nicht Realität geworden ist, sind doch einige Elemente des CIM-Konzepts heute nicht mehr aus der Praxis wegzudenken: So etwa die CAD/CAM-Kopplung (digitaler Datentransfer von der Konstruktion in die Fertigungsplanung und Fertigung) oder die Weiterentwicklung der Produktionsplanungs- und Steuerungssysteme zu integrierten Unternehmens-Ressourcen-Planungssystemen (ERP, Enterprise Ressource Planning, z. B. SAP-Anwendungen).
• Eine zweite Welle könnte sich im Moment ankündigen. Die erste Etappe wäre dann die Digitale Fabrik, in der alle planungs- und steuerungsrelevanten Daten digital vorliegen: Digitale Produktbeschreibungen, digitale Modelle der Fertigungsanlagen, Maschinen, Werkzeuge etc.
Fabrikkonzepte (2)
• Auf Grundlage der Digitalen Fabrik könnte in einem zweiten Schritt die Smarte Fabrik entstehen. Hier kommen Techniken des Internet der Dinge (IoT) hinzu, etwa RFID-Chips an allen beweglichen Objekten (Werkstücke, Rohstoffbehälter, Werkzeuge, Vorrichtungen). Die Kombination der IoT-Techniken mit den digitalen Fabrik-Modellen erlaubt dann eine in sehr kurzen Abständen (Sekunden, oder kürzer) aktualisierte digitale Abbildung des kompletten Produktionsgeschehens. Diese Abbildung ist dann wiederum Grundlage für Überwachungs-, Steuerungs- und Planungsfunktionen, die auch zunehmend automatisiert werden könnten.
• Ein – noch im Bereich der Science Fiction liegendes, aber technologisch mögliches – Konzept ist die selbstorganisierende Fabrik, deren Teile autonome, intelligente künstliche ‚Agenten’ sind, die alle Organisationsfunktionen automatisch ‚unter sich ausmachen’.
Motive für IoT in der Produktion
• Kontrolle der Produktionsprozesse (Effizienz und Analysen)• Management der Variantenvielfalt• Nachfrageorientierte Produktion durch effektive Steuerung von
Produktionsabläufen• Verringerung der Ausfallzeiten durch RFID-unterstützte Wartung• Asset Management: Optimierung des Bestandes an Transportmitteln
und Werkzeugen• Sicherheit, Rückrufe, Services: Sichere Identifikation von Einzelteilen • Verringerung von Kapitalbindungszeiten durch effizientere
Lagerhaltung und verbesserte Verfügbarkeit von Zulieferteilen• Effiziente Gestaltung der Supply Chain durch Vermeidung doppelter
Dateneingaben, manueller Dateneingaben, redundanter Datensammlungen und wiederholter Datenanalysen
• Einhaltung gesetzlicher Vorgaben z. B. hinsichtlich der Rückverfolgbarkeit von Waren und Produktkomponenten
Trends
• Im Bereich der industriellen Produktion lassen sich – etwa gestützt auf die Roadmaps der Europäischen Technologieplattform MANUFUTURE – drei übergeordnete Trends erkennen:– Neue Modelle der Organisation von Unternehmen und unternehmensübergreifenden Netzen, bis hin zur ‚fabriklosen Fertigung’
– Individualisierte Massenfertigung (MassCustomisation)
– Selbstkonfigurierende oder sogar selbstorganisierende Produktionssysteme
Auswirkungen des IoT in der Produktion (1)
• Als Rationalisierungsinstrumente zielen die hier beschriebenen technologischen Konzepte weniger auf Einsparung von Personalkosten, sondern eher auf höhere Transparenz und Nachvollziehbarkeit in Produktions- und Logistikprozessen. Kostenreduktionseffekte sind vornehmlich im Bereich der Material- und Investitionskosten zu erwarten. Durch ein verbessertes Werkzeug- und Vorrichtungsmanagement können beispielsweise vorhandene Produktionsmittel besser genutzt und unnötige Neuinvestitionen vermieden werden.
• Verbesserte Produktionsüberwachung, -planung und -steuerung führt zur Vermeidung unnötiger Arbeitsschritte, wie sie etwa durch wiederholte Anpassungsplanungen oder die Suche nach ‚verschwundenen’ Materialien, Produkten oder Werkzeugen entstehen. Dadurch entsteht indirekt auch ein Potenzial zur Einsparung von Arbeitskräften.
• Dem gegenüber stehen Chancen zusätzlicher Beschäftigung durch verbesserte Wettbewerbspositionen in Deutschland und Europa. Die individualisierte Massenfertigung soll es z.B. erlauben, an Hochlohnstandorten Produkte automatisiert herzustellen, die sonst nur sehr arbeitsintensiv – und deshalb eher nicht in Europa – gefertigt werden könnten.
Auswirkungen des IoT in der Produktion (2)
• Hinsichtlich der Auswirkungen auf Arbeitsinhalte und Qualifikationen ist zu differenzieren zwischen kurz- und längerfristiger Betrachtung. Kurzfristigkönnen eher solche Arbeiten automatisierungsbedingt entfallen, die durch relativ niedrige Anforderungen gekennzeichnet sind. Neue Qualifikationsbedarfe können durch die beschriebenen technischen und organisatorischen Änderungen entstehen
• Längerfristig könnte sich die Situation anders darstellen: Gelingt tatsächlich die Realisierung einer selbstorganisierenden Produktionstechnik, würden gerade solche anspruchsvollen Planungs- und Koordinierungstätigkeiten automatisiert, die einen Kernbestand qualifizierter Industriearbeit ausmachen.
• Die genaue Lokalisierung von Werkstücken, die immer feinere Überwachung von Maschinenzuständen und Produktionsprozessen wird auch die Beschäftigten in die digitale Abbildung einbeziehen. Dadurch werden Datenschutzaspekte berührt.
• Es sind Effekte im den Bereichen Umwelt- und Konsumentenschutz zu erwarten. Durch eine automatisierte Überwachung von Transportketten und Produkt-Lebenszyklen können bedrohliche Situationen schnell erkannt und deren Ursachen gezielt beseitigt werden.
drahtloseKommunikation
1995 heute 2015 t
Nachfrage nachindividualisiertenProdukten
TCP/IPInternet
PC- basedmachine controls
re-use, requirementsfor LifecycleManagement
PPS (Produktions-planungs-und Steuerungs-systeme)
Sensoren, Aktoren Embedded
Systems/Lokale Intelligenz
Echtzeit-Überwachungder Produktion
Digitale Beschreibungder Produktionsanlagen(prototypische Anwendungen)
Digitale Beschreibungder Fabrik
Post-Taylorismus,Neue Produktions-konzepte
DigitaleWerkstück-beschreibungen ERP
Fertigung‚on-demand‘
Re-Taylor-isierung
rekonfigurierbareProduktionssysteme
selbstkonfigurierendeProduktionssysteme
Anforderungs-niveau der‘Arbeitsplätze
Qualifikationsniveau
Fachkräfte-mangel
veränderteBerufsprofile
Veränderte Anforderungenan (Weiter-Bildung)
Internet derDinge
Einfluss-faktoren
EnablingTechnologies
Entwicklungin derProduktions-technik
Auswirkungen
Roadmap “Selbstorganisierende Fabrik”
Fazit
• Das Konzept des ‚Internet der Dinge‘ beschreibt konvergente technologische und ökonomische Entwicklungen, die komplexe und weitreichende Auswirkungen auf praktisch alle Lebensbereiche haben können.
• Diese Auswirkungen sind gestaltbar und gestaltungsbedürftig, auf politischer Ebene (national und supranational), auf der Ebene von Sozialpartnern und intermediären Organisationen sowie auf der Ebene konkreter einzelbetrieblicher Gestaltung (einschließlich der Netzwerkbeziehungen der Einzelorganisationen).
• Quantitative wie qualitative Qualifikationsbedarfe werden ganz wesentlich von diesen Gestaltungen abhängen.
Danke für Ihre
Aufmerksamkeit …
Ernst A. Hartmann
Institut für Innovation und Technik
Steinplatz 1, 10623 Berlin
+49 30 310078 – 321 [email protected]
Ernst A. Hartmann
Institut für Innovation und Technik
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