Neue Werkzeuge für Schwärme von Maschinen

Roboter schieben in einer Lagerhalle Kisten intelligent von A nach B – und kommen dabei einander nicht in die Quere. Was wie ein sehr einfaches Beispiel klingt, wird erst durch neue Werkzeuge möglich, die im EU-Horizon2020-Projekt CPSwarm entwickelt wurden. Das Projekt ist derzeit in der Abschlussphase und der „Werkzeugkasten“ steht für alle Entwickler*innen online frei zur Verfügung.

„In CPSwarm haben wir uns damit beschäftigt, wie wir Schwarmalgorithmen in cyberphysische Systeme wie Roboter oder autonome Fahrzeuge integrieren können“, erklärt Wilfried Elmenreich, der das Projekt am Institut für Vernetzte und Eingebettete Systeme leitete. Für ein Problem wie im Lagerhallen-Beispiel gibt es häufig zentralisierte Lösungen, das heißt, die Roboter fahren zentral gesteuert und auf Schienen durch die Räume. Elmenreich und sein Team hat aber interessiert: „Wie kann man das Problem lösen, wenn diese Voraussetzungen nicht gegeben sind?“

Bei den Schwarmalgorithmen orientieren sich die Forscher*innen an der Natur: Ähnlich wie Fische, die sich untereinander verständigen und in einem Schwarm schwimmen, sollen auch die Maschinen in ihrer Summe intelligent agieren. Das Klagenfurter Team hat insbesondere die Expertise im Bereich der Simulation in das internationale Projekt eingebracht. Basis war dabei die Software FREVO, die schon vor Jahren entwickelt wurde, und die dabei unterstützt, folgende Frage zu beantworten: Wie muss sich ein Agent in einem selbstorganisierenden System am besten verhalten, damit das System nach bestimmten Kriterien am besten funktioniert? Wilfried Elmenreich führt dazu aus: „Unsere Software erhält eine Simulation und versucht dann, mit Hilfe einer evolutionären Suche einen Algorithmus für die Agenten zu finden, der diese Kriterien möglichst gut erfüllt. Wir definieren nur die Anforderungen, das System schreibt uns das Programm.“

Im EU-geförderten Projekt ging es den Wissenschaftler*innen und den beteiligten Industriepartnern darum, einen Werkzeugkasten bereit zu stellen, der anderen dafür nützlich ist, praktische Probleme zu lösen, wie sie beispielsweise auftreten, wenn Fahrzeuge autonom fahren oder Drohnen gemeinsame Missionen erfüllen. „Ganz neu war auch, dass wir daran gearbeitet haben, die Zusammenarbeit von Drohnen mit Robotern am Boden besser zu gestalten“, ergänzt Elmenreich.

Für die Zukunft sieht Wilfried Elmenreich noch viel Forschungspotenzial: „Maschinen werden immer autonomer und kleiner. Wenn wir beispielsweise an kleine Roboter denken, die sich auf unseren Gehsteigen bewegen und Waren ausliefern, sehen wir: Diese agieren ohne menschlichen Fahrer und versuchen, in großer Zahl eine Aufgabe zu erledigen. Schwarmansätze sind hier gefragt, um die Technologie voran zu bringen. Dazu gehören auch unsere CPSwarm-Ergebnisse.“

Mehr Informationen zum Projekt unter https://www.cpswarm.eu/