Internet of Things, Smart Cities und Industrie 4.0: Die Zukunft ist vernetzt und smart

Internet of Things (IoT), Smart Cities oder auch Industrie 4.0 sind letztlich drei Begriffe für ein und dasselbe Phänomen: Gegenstände und Maschinen werden zum Teil des Internet und immer „smarter“. In diesem Beitrag von Jens Hansen erfahren Sie, welche Auswirkungen das bereits hat und noch haben wird. Es verändert unseren Alltag, unsere Städte und die Welt von Produktion und Logistik.

Artikelbild IoT Smart Cities Industrie 4.0
(Illustrationen: © macrovector, depositphotos)

Dieser Artikel ist ein gekürzter Ausschnitt aus dem Buch „Zukunft Digitalisierung: der Wettlauf zum Weltbetriebssystem“*. Mehr dazu am Ende des Beitrags!

Internet of Things: Die Verbindung der Dinge

Bisher besteht das Internet aus einer Vernetzung von Servern, Laptops, Desktoprechnern und Smartphones. Alle kommunizieren miteinander und tauschen Informationen aus. Diese Vernetzung erlaubt uns Onlinebanking zu machen, in der Wikipedia zu lesen oder Beiträge auf Facebook zu posten.

Doch die Vernetzung der Computer war erst der Anfang. Wenn es nach den Vorreitern der Digitalisierung geht, sollen bald alle Dinge von der Waschmaschine bis zum Fahrrad zum Teil des Internets werden. Dieses Konzept nennt sich das Internet der Dinge. Dadurch können auch Alltagsgegenstände über das Internet miteinander oder mit zentralen Servern kommunizieren. Das Spektrum ist weit gefasst und könnte sogar das Paket für die Post, eine Flasche Milch oder den eigenen Schlüsselbund beinhalten. Sie alle würden dadurch Bestandteil des globalen Digitalnetzwerkes sein.

Einiges ist in dieser Richtung schon passiert. Als eine Weiterentwicklung der altbekannten Strichcodes auf Produktkartons kann man beispielsweise RFID-Chips ansehen. Diese lassen sich über Funk auslesen, ohne dass ein direkter Sichtkontakt zwischen Scanner und Produkt bestehen muss. Solch eine Technologie hat insbesondere in der Logistik große Vorteile: So können Pakete auf einem Fließband oder selbst auf einem Gabelstapler an einem Messpunkt vorbeifahren, ohne dass das Etikett direkt zum Scanner zeigen müsste. Eine angebundene Datenbank hält dann weitere Infos bereit und wird immer wieder mit dem aktuellen Standort oder Prozessschritt aktualisiert, in dem sich das Paket befindet.

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IoT Internet Of Things
Das Smart Home ist eine Anwendung des Internet of Things (Illustration: © macrovector, depositphotos)

Doch die Innovation geht noch weiter: Im nächsten Schritt sollen die Gegenstände einen direkten Kontakt zum Internet aufbauen und dort mit zentralen Rechnern, wie zum Beispiel einer Produktionssteuerung, kommunizieren können. Dazu benötigen sie natürlich mehr Rechenleistung, als die üblichen RFID-Chips zur Verfügung stellen. Auch muss sich die Funkreichweite weiter erhöhen. Zudem braucht es noch zusätzliche Technik, denn die Gegenstände wissen vorerst nur das, was man ihnen einmal mitgeteilt hat. Sie wissen wer sie sind, wohin sie wollen oder welche Inhaltsstoffe in ihnen vorhanden sind. Interessant wird es dann, wenn diese Gegenstände mit einer Vielzahl von Sensoren ausgestattet werden. Diese Sensoren können dann beispielsweise die Temperatur messen oder den Standort bestimmen. Damit stünden Realtime-Informationen über jeden Gegenstand zur Verfügung, mit denen sich Mehrwerte generieren ließen. So könnte zum Beispiel eine Milchflasche melden, dass die Kühlkette auf ihrem Weg unterbrochen worden ist.

Die Grundidee beim Internet der Dinge ist neben der Sensorik auch das Kommunizieren der Gegenstände direkt untereinander – und zwar so, dass es keiner Person bedarf. Rufen wir uns dazu einmal die Situation einer Paketauslieferung in Erinnerung. Normalerweise übergibt der Postbote das Paket an seinen Empfänger. Ist dieser nicht zu Hause anzutreffen, bringt der Mitarbeiter es in ein Lager, wo es später abgeholt werden kann. Der Mensch wird hier benötigt, um entsprechende Eingaben mit einem Handscanner vorzunehmen. Wie wäre es aber, wenn das Paket selbst erkennen könnte, ob es am richtigen Ort angekommen ist oder seinen Weg in das Lager gefunden hat? Hierzu wäre ein GPS-Empfänger nötig, der die Position bestimmen kann. Findet sich das Paket beispielsweise im Lager wieder, sendet es automatisch eine Abholbenachrichtigung an den Empfänger – und zwar genau dann, wenn es bereitliegt. Bisher werden durch die Dienstleister hier oft Pufferzeiten eingerechnet, damit das Personal genug Zeit hat, die Pakete einzubuchen. Das verlängert die Laufzeiten einer Sendung unnötig.

Auch die Medizin könnte von diesem Konzept profitieren. So ließen sich Sensoren im menschlichen Körper platzieren, die den Blutdruck messen oder andere Vitaldaten erheben. Es sind sogar schon Sensoren angedacht, die das Blut testen können. Mittels der erfassten Daten könnten beispielsweise Insulinpumpen betrieben werden, die den Patienten immer mit der richtigen Dosis versorgen.

Die vorgestellten Beispiele waren relativ einfach. Es gibt unendlich viele weitere Möglichkeiten, das Konzept vom Internet der Dinge einzusetzen. Zwei weitere schauen wir uns jetzt an: Smart City und Industrie 4.0.

Smart City: Städte als Knotenpunkt der Vernetzung

Beim Feld „Smart City“ geht es darum, mit digitalen Technologien die Infrastrukturen und Angebote einer Stadt zu verbessern. Je nach Anwendungsbereich kann es sein, dass sich das Bild der Stadt dadurch erheblich verändert. Fangen wir beim Beispiel der Mobilität an.

Beispiel Mobilität

Schon heute wird digitale Technik rund um den Verkehr eingesetzt. So werden Ampelschaltungen aufeinander abgestimmt und auf der Autobahn wird die Geschwindigkeit über digitale Displays heruntergesetzt, wenn sich ein Stau ankündigt oder die Witterung kein schnelleres Tempo zulässt. Wie so oft wenn irgendetwas als „smart“ bezeichnet wird, basiert auch diese Technologie auf dem, was wir im vorangegangenen Abschnitt als „Internet der Dinge“ besprochen haben: Eine Vielzahl von Sensoren rund um die Fahrbahn nehmen Daten auf, beispielsweise die Verkehrsdichte und Geschwindigkeit von Fahrzeugen. Dem hinzugefügt werden externe Daten wie Informationen zur aktuellen Wettersituation. So kann Temperatur oder Niederschlagsmenge erheblichen Einfluss auf die Verkehrslage haben. In ganz fortschrittlichen Systemen werden die nötigen Entscheidungen bereits von Computern getroffen und automatisch weitergegeben, zum Beispiel an die besagten Displays entlang der Straße. Diese zeigen dann entsprechend eine reduzierte Höchstgeschwindigkeit an.

In anderen Fällen muss der Mensch noch eingreifen und die Aktionen selbst anstoßen. Doch je mehr sich die Technik weiterentwickelt, desto mehr tritt der Mensch in den Hintergrund und die Maschinen erledigen die Arbeit ganz von alleine. Selbstlernende Systeme können wiederum eingesetzt werden, um den Verkehr einer ganzen Stadt über die Zeit zu verstehen. Auf Basis dieses Verständnisses kann die Verkehrssteuerung erfolgen und auch in Echtzeit dynamisch angepasst werden. Erste Konzepte dazu sind schon in der Erprobung.

Die Verbreitung von Mobiltelefonen spielt hier übrigens eine gewichtige Rolle: Anhand von Bewegungsdaten der Mobiltelefone sind Mobilfunkanbieter aber auch Unternehmen wie Google und Apple in der Lage, den Verkehrsstrom zu messen. Das Smartphone dient somit als umfassende Sensorplattform. Dadurch ist nicht einmal mehr eine an der Straße installierte Infrastruktur nötig. Auch wenn die Automobilindustrie dabei ist, solche Sensoren in Autos einzubauen und die Daten in Realtime weiterzusenden, kann damit nicht das gleiche Potenzial erschlossen werden: Das Auto bleibt irgendwann auf einem Parkplatz stehen, während der Fahrer mit dem Telefon zum Fußgänger wird.

Smart City
Smart City (Illustration: © macrovector, depositphotos)

Der Vorteil auch die Bewegungsdaten der Fußgänger zu besitzen wird insbesondere dann relevant, wenn sich das autonome Auto flächendeckend durchsetzt. Damit sind Fahrzeuge gemeint, die sich ganz ohne Fahrer frei auf der Straße bewegen und uns sicher von einem Ort zum nächsten bringen, ohne dass wir auch nur einen Handschlag dafür tun müssten. Wir können in der Zeit schlafen, Fernsehen schauen, lesen oder das Frühstück nachholen, für das nach dem Aufstehen zu wenig Zeit geblieben ist.

Das autonome Auto wird eine neue Ära des Carsharing einleiten. Dieses könnte aus meiner Sicht bald genauso günstig sein wie der öffentliche Nahverkehr. Gleichzeitig bietet Carsharing mit autonomen Autos einen Service, der genauso gut ist wie der einer Taxifahrt: Die Abholung erfolgt direkt an der Haustür und der Kunde wird am Ende genau dort abgesetzt, wo er gerne ankommen möchte – ganz ohne Haltestellen oder Parkplätzen als Engpassstelle.

Und hier sind wir dann bei den Daten der Fußgänger angelangt. Erfolgreich werden jene Mobilitätsanbieter sein, die die Auslastung ihrer autonomen Fahrzeugflotte möglichst hoch halten und gleichzeitig die schnellsten Bereitstellungszeiten für die Kunden bieten. Dazu braucht es ausgekügelte Prognosesysteme: Diese senden die Autos bereits an die richtigen Stellen innerhalb der Stadt, bevor der Kunde überhaupt eine Fahrt angefragt hat. Das ist gut für Player wie Google, die wissen, wieviele Kunden gerade bei Ikea sind oder wie sich der Besucherstrom in der Innenstadt während des Weihnachtsgeschäfts in Echtzeit entwickelt.

Beispiel Energieversorgung

Ein weiterer Punkt mit besonderer Wichtigkeit für die Zukunft von Städten ist die Energieversorgung. Sie wird benötigt zum Betrieb der Infrastruktur, der Versorgung der vielen Haushalte sowie der Unternehmen.

Neben Versorgungssicherheit steht der Umweltschutz hier ganz weit vorne. So hat die Staatengemeinschaft in internationalen Umweltabkommen wie dem Kyoto Protokoll oder dem Übereinkommen von Paris vereinbart, hier mehr zu tun. Aus diesem Grunde sind Städte aufgefordert, einen Beitrag zu weniger Ressourcenverbrauch zu leisten. Viele sehen die Lösung dazu in einem intelligenteren Energiemanagement und der Einbindung von regenerativen Energien. So scheinen wir den Anteil fossiler Brennstoffe am Energiemix reduzieren zu können.

Rund um das Thema Smart City gibt es viele Ansätze, die dieses unterstützen können. Eine gute Möglichkeit bieten Haushaltsgeräte wie Kühlschränke oder Waschmaschinen, die insbesondere dann Energie verbrauchen sollen, wenn sie beispielsweise durch Solarenergie bereitgestellt wird. Ebenso gibt es Ansätze, die Batteriekapazität von Elektrofahrzeugen als Pufferspeicher zu nutzen. Denn regenerative Energie steht genau dann zur Verfügung, wenn uns die Natur mit Sonne und Wind verwöhnt. Das muss nicht immer genau der Zeitraum sein, in dem wir unsere Geräte und Maschinen nutzen möchten. Ein intelligentes Management und eine Speichermöglichkeit können hier Abhilfe schaffen. Genau dafür ist das Konzept Smart City mit all seinen Sensoren, der intelligenten Vernetzung und Steuerung sinnvoll.

Wie Sie sehen, spielen hier wieder die Ideen des Internets der Dinge eine tragende Rolle. Zudem ist es für die Konzepte notwendig, dass auch unsere Gebäude mit eingebunden werden. Deshalb wird ebenfalls intensiv am so genannten Smart Home gearbeitet. Hierbei wird das Gebäude mit intelligenter Steuerung versehen, um beispielsweise mit Energie effizienter umzugehen und vor allem dann zu verbrauchen, wenn im Stromnetz gerade viel davon angeboten wird.

Bei aller Begeisterung bleibt abzuwarten, wie hoch am Ende die Energieeinsparung sein wird. Testläufe werden zeigen, ob sich dieser Aufwand lohnt, oder ob wir andere Konzepte in Betracht ziehen müssen.

Industrie 4.0: Vernetzung von Produktion und Logistik

An die 4. Industrielle Revolution werden viele Erwartungen geknüpft. Sie soll die Errungenschaften des Internets und der digitalen Vernetzung nutzen, um die Wettbewerbsfähigkeit von Produktionsunternehmen zu stärken. Es geht darum, die Produktion noch stärker mit IT-Technik zu verknüpfen und Datenströme für eine intelligente Steuerung des Gesamtprozesses zu nutzen. Dadurch soll mehr Flexibilität in der Produktion erreicht werden und die Effizienz noch einmal erheblich steigen.

Flexibilität wird wichtiger, da der Trend ganz klar in Richtung individueller Produkte geht. Alles soll direkt auf den Kunden zugeschnitten werden, von Schuhen über Mode bis hin zum Auto. Industrie 4.0 nimmt diesen Trend zur Individualisierung auf und setzt sich das Ziel, die Losgröße „1“ in einer industriell organisierten Produktion zu erreichen. Das heißt, vom jeweiligen Produkt wird teilweise nur ein einziges Exemplar hergestellt, ohne dabei auf die Effizienzvorteile der Massenproduktion verzichten zu müssen. Früher hingegen musste man sich entscheiden, entweder ein Produkt in großen Stückzahlen herzustellen und dabei individuelle Kundenwünsche außer Acht zu lassen, oder mit sehr kleinen Stückzahlen als Manufaktur zu arbeiten und dabei erhebliche Kompromisse auf der Kostenseite einzugehen. Industrie 4.0 bringt die Vorteile beider Welten zusammen und ermöglicht ein kundenspezifisches Produkt zu günstigen Preisen.

Diese Individualität fördert Komplexität. Besonders beeindruckend kann man dies in der Automobilindustrie sehen. So haben Hersteller wie BMW und VW über 1.200 Modellvarianten in ihrem Programm. Jede davon zieht eine Vielzahl an Bauteilen nach sich und verändert den Montageprozess je nach bestellter Konfiguration des Fahrzeuges. Eine solche Produktion ließe sich nicht ohne IT beherrschen. Aus diesem Grund ist die Automobilindustrie wie auch schon in anderen Erneuerungsphasen der Produktion ein großer Nutznießer der neuen Möglichkeiten.

Industrie 4.0
Industrie 4.0 (Illustration: © macrovector, depositphotos)

Um solch eine Vielfalt und Flexibilität bei der Produktion zu erreichen, steht ein Abschied von der zentralen Produktionsplanung an. Bisher wurden alle Arbeitsschritte an den Produkten über ein Hauptsystem komplett gesteuert: Jede kleine Veränderung im Produktionsablauf musste hier eingeplant werden. In der Welt von Industrie 4.0 herrscht die Vision, dass jedes Bauteil über seine Bearbeitungsschritte Bescheid weiß. Bearbeitungsschritte, die es selbstständig entlang der Produktionsstraße abfordern kann. Die Produktionsanlage wird damit quasi zu einem großen Buffet.

Bei der Betrachtung, welche Auswirkungen Industrie 4.0 auf die gesamten Prozesse eines Unternehmens hat, ist der Begriff vielleicht etwas einseitig mit einem Fokus auf die Produktion gewählt. Besser wäre, das Ganze „Unternehmen 4.0“ zu nennen. Denn damit Industrie 4.0 funktioniert, müssen alle Prozesse im Unternehmen immer enger digital aufeinander abgestimmt werden.

Lesetipp: Mehr zu diesem Gedanken finden Sie u.a. in einem Artikel von Karl Kratz zur „digitalen Transformationsfähigkeit“.

Bestellt der Kunde ein individuelles Produkt, beginnt die Individualisierung bereits beim Kauf. Bei diesem Schritt muss dem Kunden die Zusammenstellung seiner Wünsche erleichtert werden. Bleiben wir dazu am besten bei der Automobilindustrie: Hier arbeitet der Vertrieb immer wieder hart an den Konfigurationstools mit denen wir im Internet unser Wunschauto zusammenstellen können. Denn genau dort beginnt der individuelle Gesamtprozess, der die Bestellung in den Produktionsablauf bringt. Nur wenn der Kunde hier fehlerfrei konfigurieren kann und das System eine inkompatible Zusammenstellung der Autoausstattung automatisch verhindert, ist im späteren Verlauf auch eine effiziente Produktion möglich.

Es lässt sich außerdem schon erahnen, dass das Thema Logistik eine noch größere Rolle spielen wird, als es heute schon der Fall ist. Die verschiedenen Varianten müssen schließlich mit all ihren Zulieferteilen sowohl vor der Produktion als auch währenddessen bewegt werden. Die weitverbreitete Just-in-Time-Produktion erfordert dabei eine sehr präzise zeitliche Abstimmung der gesamten Lieferkette. Denn es gibt kaum noch Lager, die die Bauteileversorgung innerhalb der Fertigung puffern können. Alles wird genau dann angeliefert, wenn der Produktionsprozess es benötigt.

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Bei der Betrachtung der Logistik merkt man, wie wichtig es ist, die Zulieferer gut in den Gesamtprozess einzubinden. Denn es geht nicht mehr nur darum, ein Unternehmen zu digitalisieren, sondern alle Partner des Unternehmens in ein eng vernetztes digitales Ökosystem einzubinden.

Dadurch wird es bei der Logistik in Zukunft neben der reinen Bewegung der Waren immer mehr auch um die damit einhergehenden Datenbewegungen gehen – mit einer Datenvernetzung der Firmen untereinander, die weit über das aktuell schon vorhandene Niveau hinausgeht. Nur so kann die ständige Datenneueingabe vermieden und der Prozess transparent gestaltet werden. Damit das gut funktioniert, sind mehr standardisierte Schnittstellen und Datenformate nötig. Mittelfristig werden wahrscheinlich auch hier die Ideen von Industrie 4.0 weiterhelfen, damit das Produkt selbst weiß, was sein nächster Arbeitsschritt sein wird.

Lesetipps: Jan Tißler hat sich in einem UPLOAD-Artikel bereits mit der anderen Seite der Medaille auseinander gesetzt und den Begriff „Arbeiten 4.0“ erklärt. Außerdem interessant sind sicherlich die Beiträge von Christiane Brandes-Visbeck mit fünf Tipps zu Digital Leadership und mit zehn Beispielen für „Digital Leader“ im deutschen Mittelstand.

IoT, Smartcity und Industrie 4.0 weitergedacht

Industrie 4.0 zeigt auf sehr anschauliche Art und Weise, wie stark die digitale Vernetzung in der Produktion Einzug hält. Und das nicht nur innerhalb eines Unternehmens, sondern entlang ganzer Lieferketten in globalem Maßstab. Berührungspunkte ergeben sich dabei ganz automatisch auch in Richtung Smart City, denn es sind ja genau die Städte, die mit den erzeugten Waren und Energie versorgt werden müssen. Damit tun sich umfassende Schnittmengen mit Industrie 4.0 auf, die zeigen, dass tatsächlich gerade alles mit allem digital vernetzt wird.

Das globale digitale Ökosystem wächst damit stetig weiter. Es überwindet Unternehmensgrenzen, Städtegrenzen und Ländergrenzen. Je umfassender es wird, desto mehr gleicht es einem Gebilde, das als eine Art Weltbetriebssystem bezeichnet werden kann. Welche Konsequenzen hat diese Vollvernetzung? Ist unsere aktuelle Lebenswelt noch kompatibel mit der nächsten Digitalisierungswelle?

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Cover Zukunft Digitalisierung Dieser Beitrag ist ein gekürzter Ausschnitt aus „Zukunft Digitalisierung: der Wettlauf zum Weltbetriebssystem – Warum wir neue Visionen für Wirtschaft, Staat und Sicherheit brauchen“. Sie finden es hier als Kindle-Buch bei Amazon*.

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Video: Das Internet der Dinge erklärt

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Dieser Artikel gehört zu: UPLOAD Magazin 53

In dieser Ausgabe gehen wir in vier Beiträgen darauf ein, welche Auswirkungen die Vernetzung von Gegenständen und Maschinen für Industrie und Marketing haben. Welche Potenzial bietet das Internet der Dinge, wenn Unternehmen oder auch Städte richtig damit umgehen, und wie gut ist Deutschland auf diesen Wandel vorbereitet?

Jens Hansen

Jens Hansen ist selbstständiger Zukunftsforscher und Speaker für digitale Transformation. Ihn beschäftigt die Frage, welche Innovationen unser Leben in Zukunft auf den Kopf stellen und was dies für Wirtschaft und Gesellschaft bedeutet. Zu seinen Kunden zählen bekannte Namen aus der Wirtschaft ebenso wie Verbände und die öffentliche Hand. Unter zukunftsstark.org gibt er Einblicke in seine Arbeit.