Wenn Maschinen fühlen, handeln und zusammenarbeiten

Industrie 4.0 und Internet der Dinge sind Schlagworte einer Entwicklung, auf die zahlreiche Volkswirtschaften setzen. In Zukunft sollen vermehrt Maschinen das machen, was derzeit in Menschenhand liegt – sei es in Industriebetrieben, hinter dem Steuer eines Autos oder in der Organisation von Energienetzen. Der Anfang ist gemacht; nun arbeitet man an der nächsten Generation solcher Systeme.

Unsere Energienetze sind sehr komplex: Seitdem Strom auch mit alternativen Energieträgern wie Wind und Sonne erzeugt wird, hängt die Produktion stark vom Wetter ab. Gleichzeitig wird auch nicht zu allen Zeiten gleich viel konsumiert und die Speicherung von Energie ist schwierig. „Wird zu viel Strom erzeugt, kann man aber nicht jeden Betreiber einer Windkraftanlage anrufen und dazu anweisen, die Produktion für einen bestimmten Zeitraum einzustellen“, so Wilfried Elmenreich, Professor für Smart Grids. Es brauche also Technologien, die dazu in der Lage sind, Angebot und Nachfrage, Speicheroptionen, Leitungsauslastung und den Verkauf von Energie so zu steuern, dass das Stromnetz intelligent ausbalanciert ist. „Daher kommen bei den Energienetzen die so genannten cyberphysischen Systeme bereits zur Anwendung. Bei solchen arbeiten mechanische und elektrotechnische Komponenten, unterstützt von Software, so zusammen, dass sie selbstständig und eigeninitiativ miteinander vernetzt zu Problemlösungen kommen.“ Konkret sind es also technische Geräte, die in gewisser Form menschenähnlich handeln. Die Systeme ähneln der Biologie, ihr Suchen und Finden von Lösungen erinnert an die Evolution. Für Elmenreich liegt darin auch die „Schönheit solcher Ansätze“.

Cyberphysische Systeme sind in einigen Bereichen schon im Einsatz, vieles davon hat man aber nicht von Anfang an technisch gut aufsetzen können. Darin liegt auch das Ziel eines aktuell durch EU-Horizon2020 geförderten Projekts, an dem Elmenreich und sein Team beteiligt sind: Man will eine einheitliche Methodik entwickeln, wie ein solches System aufgebaut werden kann. Elmenreich erklärt: „Die klassischen Konzepte kommen noch aus einer Zeit, als das Internet noch nicht allgegenwärtig war. Das hohe Maß an Vernetzung stellt uns vor neue Herausforderungen. Cyberphysische Systeme haben keine zentrale Steuerung.“ Bei so komplexen Systemen kann schon eine leichte Veränderung große Auswirkungen auf das Gesamtsystem haben.

Die beste Lösung
Das Klagenfurter Institut bringt gemeinsam mit den ebenfalls kooperierenden Lakeside Labs GmbH die Idee des Evolutionary Computing ein. Dabei entwickelt ein Programm schrittweise eine gute Lösung, wie sie am Beispiel des komplexen Stromnetzes nötig ist. Der Computer profitiert dabei davon, dass er eben nicht menschlich ist: Gestellt vor eine Herausforderung, ermittelt das Programm alle Möglichkeiten, selbst solche, die einem Menschen nicht als Optionen einfallen würden. Diese Lösungen eines Problems werden dann in einer Simulation getestet. Daraus filtert er dann diejenigen heraus, die nicht ganz schlecht funktionieren, und kombiniert einzelne Elemente dann zu einer optimalen Lösung. „Viele solcher Lösungen sind am Ende besser als solche, die der Mensch entwickeln könnte“, so Elmenreich.

Die Kooperationspartner möchten nun gemeinsam eine Toolchain oder, wie es Elmenreich auch nennt, eine „Werkbank“ erstellen, auf der man ein solches cyberphysisches System entwerfen kann. Dieses soll dann unterschiedliche Zielsysteme bedienen, wie Drohnenschwärme, aber auch selbstfahrende Autos.

Cyberphysische Systeme könnten auch bei Carsharing zur Anwendung kommen. Man stelle sich vor, man geht durch eine Stadt, auf einem Parkplatz steht ein Auto, man kann einsteigen und losfahren. An seinem Ankunftsort kann man das Auto wieder stehenlassen und der nächste verwendet es. Probleme sind vorprogrammiert: So fahren morgens viel mehr Menschen vom Stadtrand in das Stadtzentrum. Die Autos stünden dann tagsüber in der Stadt, obwohl sie wenig benutzt würden. Dies könnte man verhindern, indem selbstfahrende Autos ihren Standort verändern. „An diesem Beispiel lässt sich erklären, dass sich ein solches System selbst an die Gegebenheiten anpassen können muss. Dazu muss es gar nicht den Grund für ein bestimmtes Verhalten, zum Beispiel eine Baustelle, kennen, sondern es muss nur mit einer Lösung für das Problem aufwarten“, so Elmenreich. Bei einem Stau könnte eine Straße für eine bestimmte Zeit zu einer Einbahn werden, um zwei Spuren zu führen. Das System testet dann diesen Lösungsvorschlag und kommt zu einem Ergebnis. Adaptiv bedeutet dabei auch, dass solche Systeme nicht nur eine Funktion erfüllen können, sondern auch bei geänderten Ausgangsbedingungen gut funktionieren. Profitiert wird dabei von der Schwarmintelligenz, die weniger fehleranfällig als eine zentrale Steuerung ist. „Weiß der eine Agent einmal etwas nicht, übernimmt ein anderer“, erklärt Elmenreich.

Vorbereitung auf eine neue Welt
Die USA, Europa und Asien investieren derzeit massiv in die Weiterentwicklung solcher Technologien. Damit erhoffen sie sich unter anderem Effizienzsteigerungen in der Industrie. Produktionsanlagen sollen stärker von solchen intelligenten, vernetzten Robotern betrieben werden, die eigenständig Problemlösungen finden können. Nach der industriellen Revolution wird das Aufkommen der Industrie 4.0 und des Internet der Dinge in zahlreichen Debatten als ähnlich einschneidend gehandelt. Wilfried Elmenreich sieht diese Entwicklung gelassen: „Der Vormarsch dieser Technologien wird die Art unserer Aufgaben ändern. Manches wird nicht mehr gefragt sein, anderes wird neu aufkommen. Das ist aber kein neues Phänomen. Auch die Kutschenbauer wurden zugunsten der Autoindustrie verdrängt.“ Die momentan rapide Forschung und Entwicklung solcher Technologien habe für ihn aber einen entscheidenden positiven Effekt: „Wenn wir durch solche Ansätze unsere Effizienz in vielen Bereichen verbessern können, sparen wir Ressourcen.“ Seien dies die natürlichen, beschränkten Ressourcen wie Energie oder auch unsere Arbeitskraft. In Summe heißt das für die Menschheit, dass mehr Entwicklung vorangebracht werden kann. Evolution mit Unterstützung von Maschinen also. Schneller als je zuvor.

für ad astra: Romy Müller