Ablaufsimulation in Industrie 4.0 – Handlungsfelder für die industrielle digitale Transformation

S. Wenzel, J. Stolipin und U. Jessen

Die ereignisdiskrete Simulation von Produktions- und Logistiksystemen (im Folgenden auch Ablaufsimulation genannt) spielt für die Entwicklungen im Kontext der industriellen digitalen Transformation eine wichtige Rolle. Ihre Inte- gration in moderne Planungs- und Steuerungsprozesse wird dringend gefordert, um Industrie 4.0-Konzepte realisieren zu können. Sie erlaubt eine detaillierte Analyse sowie eine transparente Planung von Produktions- und Logistikprozessen im Hinblick auf Flexibilitäts- und Effizienzsteigerungen. Zudem bildet sie zukünftig bei der Planung und dem Betrieb von modernen Systemen einen wichtigen Bestandteil des sogenannten Digitalen Zwillings als System- und Verhaltensmodell der betrachteten Realität. Allerdings sind hierzu die Anforderungen an die Ablaufsimulation noch nicht umfassend definiert und technische Lösungen nicht hinreichend umgesetzt. Der folgende Beitrag skizziert die Rolle der Ablaufsimulation in Industrie 4.0 und formuliert notwendige Handlungsfelder zur Umsetzung.

Wie in [1] umfassend analysiert, beschäftigt sich zurzeit eine Vielzahl an Gremien und Forschungsvereinigungen sowie Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern in Studien und Publikationen mit dem Thema Industrie 4.0 und den Anforderungen und Auswirkungen der digitalen Transformation auf die industriellen Prozesse. Darüber hinaus werden in Anwendungsbeispielen und Testzentren Teil- aspekte der Digitalisierung beleuchtet. Während die Studien teilweise unterschiedliche Schwerpunkte setzen oder einen gezielten Branchenbezug analysieren, legen die Standpunktpapiere eine Position aus Sicht einer Gesellschaft oder eines Verbands dar. Nach einer Literaturanalyse in [1] haben die Studien, Standpunktpapiere, Statusberichte und Publikationen gemein, dass sie den Begriff Industrie 4.0 präzisieren, mehr oder minder umfangreich einen aktuellen Stand aufzeigen und daraus Handlungs- oder Umsetzungsempfehlungen ableiten. Allerdings ist zu erkennen, dass Begriffe wie Modellbildung und Simulation nur bedingt in den Gesamtkontext zur digitalen Transformation gestellt werden. Eine Konkretisierung in Bezug auf die in diesem Beitrag betrachtete Ablaufsimulation (zur ereignisdiskreten Ablaufsimulation in Produktion und Logistik vgl. [2] und [3]) erfolgt nur in Einzelfällen (vgl. beispielsweise [4-10]). Auch bei der Analyse der Anwendungsbeispiele und Testzentren in [1] zeigt sich, dass die Ablaufsimulation nur selten im Fokus der Untersuchung steht. Einige wenige Testzentren behandeln die Ablaufsimulation als ein Werkzeug der Digitalen Fabrik und verdeutlichen, dass diese Werkzeuge zu den Entwicklungen im Kontext Industrie 4.0 gehören. Als Ergebnis der Analyse lässt sich ableiten, dass die Simulation allgemein eine deutliche Relevanz innerhalb der Entwicklungen zu Industrie 4.0 hat. Allerdings sind die Entwicklungsaufgaben für die Ablaufsimulation bisher nicht hinreichend präzisiert. Die Notwendigkeit der Positionierung der Ablaufsimulation und die Benennung der daraus resultierenden Herausforderungen bestätigt auch [11].

Herausforderungen für die Ablaufsimulation in den Unternehmen

Die Verbreitung der Ablaufsimulation in den Unternehmen und damit verbunden das entsprechende Know-how zur Anwendung sind äußerst unterschiedlich; sie reicht von keinerlei Anwendungen bis hin zur Einrichtung einer eigenen Simulationsabteilung oder eigener werksübergreifender Projekte zur Umsetzung der Digitalen Fabrik [3]. Insbesondere bei kleinen und mittleren Unternehmen (KMU) wird die Simulation eher selten eingesetzt (vgl. [2, 3, 8]). Allerdings wird der Einsatz der Simulation mit der Realisierung wandlungsfähiger, selbstorganisierter Produktionen, der Vernetzung mit Lieferanten und Kunden, dem Angebot kundenindividueller Produkte und der Realisierung eines digitalen Abbilds der Produktion auch für KMU notwendig. Eine zunächst allgemeine Einschätzung der Situation erlaubt [5]. Die dort benannten Kriterien zum Maturity Index können auch als Orientierung für die Einschätzung der Unternehmenssituation in Bezug auf die Nutzung der Simulation als Methode zur Planung und operativen Unterstützung der Industrie 4.0 dienen. Ziel muss es sein, dem Personal und der Geschäftsführung eines Unternehmens die Potenziale der Simulation aufzuzeigen und in Form von Schulungen ein entsprechendes Problemlösungsbewusstsein zu schaffen.
Für die Einbindung der Ablaufsimulation in die IT-Landschaft eines Unternehmens, die sich mit der Umsetzung von Lösungen zu Industrie 4.0 ergibt (z. B. für eine ständige Planungsbereitschaft oder die Unterstützung des operativen Betriebs), sind die mit der Nutzung verbundenen Prozesse und die einhergehenden Informationsflüsse detailliert zu beschreiben. Darüber hinaus sind auch Hürden technischer Art zu überwinden. So sind heute noch IT-Systeme zu finden, die ihre Aufgabe im Stand-alone-Betrieb ausführen. Somit ist die stabile Vernetzung der Systeme, vertikal von der Planung bis zum operativen Betrieb sowie horizontal über die Wertschöpfungskette, ein Hauptaufgabenfeld im Kontext von Industrie 4.0, aber auch eine wichtige Voraussetzung für den permanenten Einsatz der Simulation. Hier gilt es, den Datenaustausch zu standardisieren, Medienbrüche zu eliminieren und so die Voraussetzung für ein jederzeit aktuelles Abbild der Produktion zu schaffen. Sind auch externe Betriebe mit ihrer IT zu integrieren, müssen
zusätzliche Sicherheitsmaßnahmen ergriffen werden, um beispielsweise Ausfallsicherheit, Schutz der Daten vor Verlust sowie der Systeme vor unberechtigtem Zugriff zu gewährleisten. Damit in einem derartigen Integrationsszenario die richtigen und gültigen Eingangsdaten im jeweiligen Kontext der Simulationsanwendung genutzt werden, sind zudem einerseits intelligente Algorithmen zur Adaption und Filterung des Datenaufkommens notwendig. Andererseits müssen Simulationsergebnisdaten im IT-Unternehmensnetzwerk verfügbar gemacht oder nutzungsspezifisch aufbereitet werden. Hierzu gehört auch die visuelle Aufbereitung in Form von Diagrammen und Animationen, ggf. sogar in Form von Augmented, Virtual oder Mixed Reality.
Damit die Simulation zukünftig die gesamte durchgängig digitale Engineering-Kette von der Planung bis zum Betrieb begleiten und innerhalb des Digitalen Zwillings der realen Produktion sinnvoll zum Einsatz kommen kann, sind noch einige Forschungs- und Entwicklungsaufgaben zu bewältigen. Die im Folgenden vorgestellten Handlungsfelder (Bild 1) verdeutlichen die zukünftigen Entwicklungsbereiche für die Ablaufsimulation. Sie beeinflussen sich allerdings gegenseitig und können nicht losgelöst voneinander betrachtet werden.


  Bild 1: Landkarte der Handlungsfelder.

Neue Geschäftsmodelle für die Ablaufsimulation

Simulationswerkzeughersteller, -dienstleister und Anlagenlieferanten müssen ihre bisherigen Geschäftsmodelle überdenken und ggf. um neue Formen der Simulationsnutzung ergänzen. Der Einsatz der Ablaufsimulation als Bestandteil des Digitalen Zwillings der realen Produktion erfordert robuste Simulationswerkzeuge und ausfallsichere Simulationsmodelle. Daher müssen die Dienstleister, die diese Modelle bereitstellen, ihre vollständige 24/7-Verfügbarkeit den Unternehmen gewährleisten. Die Lizenzpolitik für Simulationswerkzeuge muss an die Nutzergruppe und an bestehende Industrie 4.0-Rahmenbedingungen angepasst werden, neue Formen der Simulationsnutzung für KMU (z. B. ein zur Anlage mitgeliefertes Simulationsmodell als Add-on-Service, ein zum Simulationsmodell inkludiertes Schnittstellenmodul für die Anlage oder die Bereitstellung von Simulationsmodellen als Services in einer Cloud) werden zunehmend Bedeutung erlangen.

Zuverlässige Integration der Simulation in Planung und Betrieb

Durch die Ziele und Konzepte der Industrie 4.0 werden sich Prozesse und Abläufe in den Fabriken und deren Planung ändern [10]. Interdisziplinäre Planungen und teamorientierte Arbeitsweisen werden diese Bereiche beherrschen, sie erfordern eine zuverlässige Abbildung der Produktionssysteme. Die vernetzten Methoden der Digitalen Fabrik [3] bilden hierfür die Grundlage und schaffen zudem bereits in der Planung die Voraussetzung, dass belastbare digitale Modelle für den laufenden Betrieb vorliegen. Die Vernetzung mehrerer unterschiedlicher Simulationsmethoden und -modelle auf einer Multi-Simulationsplattform ermöglicht eine Analyse der Systeme in unterschiedlichen Detaillierungsgraden, auf unterschiedlichen Ebenen und unter Berücksichtigung verschiedener Betrachtungsgegenstände. Die Ablaufsimulation wird nach wie vor zur Absicherung von Ergebnissen der strategischen und operativen Produktions- und Logistiksystemplanungen eingesetzt; sie ist allerdings als wichtiger Bestandteil in ein umfassendes Planungsassistenzsystems zu integrieren. Die damit verbundene interoperable Modellnutzung erfordert flexible Schnittstellen zur Kopplung der Simulationswerkzeuge (syntaktische und semantische Integration). Datenaustauschformate für Simulationswerkzeuge stellen heute ebenso wie Datenverwaltungskonzepte beispielsweise zur Vermeidung von Datenredundanzen und zur Minimierung des Aufwands bei der Datenbeschaffung eine Herausforderung dar. Auch die durchgängige organisatorische Einbindung der Simulationsnutzung in den Planungs- und Betriebsprozess (pragmatische Integration) ist eine noch zu lösende Aufgabe, damit die richtigen Modelle in der richtigen Qualität und zur richtigen Zeit bereitstehen.

Vernetzung von virtueller und realer Welt

Die Planung der Konzepte im Kontext Industrie 4.0 verlangt nicht nur eine stärkere Vernetzung der digitalen Modelle, sondern auch ihre Kopplung mit der realen Welt der Fabriken. So müssen die digitalen Simulationsmodelle datentechnisch nicht nur an Enterprise Resource
 Planning Systeme angebunden werden, sondern auch über die Informationssysteme in der Supply Chain vernetzt sein. Für die digitale Vernetzung müssen jedoch noch erhebliche Herausforderungen auf technischer, organisatorischer und rechtlicher Ebene gelöst werden, um Realdaten direkt für die Simulationsmodelle nutzbar zu machen und sicherzustellen, dass sie für die jeweiligen Modelle valide sind und in der hinreichenden Granularität vorliegen. Die technische Ebene betrifft insbesondere die Anpassungsfähigkeit, Offenheit und Inter- operabilitätsfähigkeit der Simulationswerkzeuge, die Standardisierung der verwendeten Datenformate und die Sicherstellung einer hinreichenden Datenqualität für die Ablaufsimulation. Ein zuverlässiges Abbild der Produktions- und Logistikprozesse kann aber nur entstehen, wenn jegliche Fehlerquellen physikalischer, rechner- und kommunikationstechnischer Art beseitigt sind.

Echtzeitfähigkeit

Die Echtzeitfähigkeit der Datenaufnahmen und -weiterverarbeitung ist im Kontext von Industrie 4.0 genauso wichtig wie die echtzeitfähige Aktualisierung des Digitalen Zwillings. Um schnelle Entscheidungen bei in Zukunft immer größer werdenden Entscheidungsräumen im laufenden Betrieb treffen zu können, müssen mehrere Modellvarianten in kürzester Zeit analysiert werden. Dies erfordert auch eine automatische Anpassung der Simulationsmodelle an neue Gegebenheiten und eine einfache Nutzung der Produktionsdaten auf allen Betriebsebenen. Zur Auswahl der besten Lösungen ist die Anbindung der Simulationsmodelle an neue Methoden wie Big Data Analytics in Verbindung mit geeigneten Optimierungsalgorithmen notwendig.

Modellierungstheorie

Mit den Anforderungen an die Nutzung der Ablaufsimulation als Bestandteil des Digitalen Zwillings in der intelligenten Fabrik stellen sich auch neue Anforderungen an die Modelle selbst. Beim Aufbau von Simulationsmodellen müssen die Integrationspfade (horizontal und vertikal) und die Anbindung an die Realität geeignet berücksichtigt werden. Die Produktionssysteme müssen zukünftig die Anforderungen hinsichtlich höherer Wiederverwendbarkeit, Anpassungsfähigkeit und Skalierbarkeit erfüllen [12]. Dazugehörige digitale Modelle müssen einfach integrierbar, kontextsensitiv adaptierbar, erweiterbar und in unterschiedlichen Kontexten leichter wiederverwendbar sein. Dazu müssen sie modular und einfach parametrisierbar aufgebaut und bei Bedarf auch automatisiert erzeugt werden. Die Simulationsmodelle werden zukünftig entsprechend der oben aufgeführten Herausforderungen auch Anforderungen wie Wandlungsfähigkeit einerseits und die Nutzung der Modelle über den gesamten Anlagenlebenszyklus andererseits genügen müssen. Dies bedarf einer gewissen konzeptionellen Offenheit der Simulationswerkzeuge und flexibler, adaptierbarer und selbstlernender Bausteinbibliotheken. Zudem bedarf es eines geeigneten Modell- und Wissensmanagements, um die im Unternehmen hinterlegten Modelle und dazugehörigen Informationen schnell aufzufinden und im richtigen Kontext wiederzuverwenden. Gleichzeitig müssen auch die Gültigkeitsfragen für Modelle, die nun in unterschiedlichen Kontexten eingesetzt werden, neu gestellt werden, das Modelländerungsmanagement bei Änderungen im realen System neu entwickelt und die Frage beantwortet werden, ab wann Modelle eigentlich ihre Gültigkeit verlieren. Eine automatisierte Verifikation und Validierung auch von vernetzten Modellen ist ebenso wie eine automatisierte statistisch hinreichende Durchführung von Simulationsläufen noch zu erforschen, um eine hohe Prognosequalität in kürzester Zeit zu erzielen.

Qualifikation der Unternehmen, insbesondere der KMU

KMU müssen für die Relevanz der Ablaufsimulation sensibilisiert werden und sich in Bezug auf die Modellierung und Simulation zukünftig deutlich mehr qualifizieren. Branchenspezifische, auf Unternehmen fokussierte Nutzungsszenarien für die Ablaufsimulation in einer digitalen Produktion können hier den Zugang zum Simulations- und Modellierungswissen schaffen. Die Unternehmen müssen zukünftig ihre bisherigen Ausrichtungen, strategischen Ziele, Prozesse und ggf. sogar ihre Geschäftsmodelle überdenken und entweder eigene Simulationsexperten ausbilden oder Simulationsdienstleister engagieren, um Simulationsprojekte im Rahmen von Industrie 4.0 durchzuführen.

Verstärkung der Rolle der Simulation in Ausbildung und Lehre

Da die Ablaufsimulation im Zuge der Digitalisierung eine wichtige Rolle spielt, werden Unternehmen zukünftig bei der Personaleinstellung in den entsprechenden Fachabteilungen auf eine geeignete Qualifikation im Bereich IT-Kompetenz und Simulation achten müssen, um die eigene Wettbewerbsposition zu sichern. Daher sind Fachhochschulen und Universitäten aufgefordert, Modellbildung und Simulation in der Lehre für die Bereiche Produktion und Logistik verpflichtend zu verankern. Hierzu gehört die Vermittlung sowohl des methodischen Grundlagenwissens als auch des Anwendungswissens, um den späteren Praxisbezug zu erleichtern. Digitale und reale Lernfabriken sowie Testzentren können dabei die Vernetzung von Virtualität und Realität erlebbar machen und die für die Umsetzung bestehenden Anforderungen praxisnah verdeutlichen.

Zusammenfassung

Durchgeführte Analysen bestehender Veröffentlichungen zur Ablaufsimulation im Umfeld von Industrie 4.0 verdeutlichen ihre Relevanz für die Planung und den Betrieb von Produktions- und Logistiksystemen sowie für den Einsatz als Digitaler Zwilling der realen Produktion. Um die Ablaufsimulation zu befähigen, ihre Aufgaben im Rahmen von Industrie 4.0 zu erfüllen, müssen kontextsensitiv adaptierbare Funktionen und Schnittstellen realisiert und eine neue geeignete Modellierungstheorie inklusive dazugehöriger Vorgehensweisen, Empfehlungen und Standardisierungen erarbeitet werden. Da die Ablaufsimulation eine wichtige Methode der Digitalen Fabrik als Basis der digitalen Fabrikplanung ist, sind die bestehenden Integrationsanforderungen auf der Ebene der Planung (Digitale Fabrik, vgl. [3]) mit denen des Betriebs zu vereinen. Darüber hinaus sind nutzungsbedingte Anforderungen an die Ablaufsimulation zu erarbeiten. Dies erfolgt zurzeit im Rahmen einer Agenda zur Simulation durch Mitglieder des Fachausschusses FA 204 „Modellierung und Simulation“ der Gesellschaft Produktion und Logistik im Verein Deutscher Ingenieure (VDI-GPL).

Schlüsselwörter:

Ereignisdiskrete Simulation, Industrie 4.0, Fabrikplanung, Fabrikbetrieb, Produktion, Logistik

Literatur:

[1] Wenzel, S.; Jessen, U.; Stolipin, J.: Rolle der Ablaufsimulation in Industrie 4.0. In: Gronau, N. (Hrsg): Industrial Internet of Things in der Arbeits- und Betriebsorganisation, Schriftenreihe der Wissenschaftlichen Gesellschaft für die Arbeits- und Betriebsorganisation (WGAB) e.V. Berlin 2017, S. 177-198.
[2] Gutenschwager, K.; Spieckermann, S.; Rabe, M.; Wenzel, S.: Simulation in Produktion und Logistik: Grundlagen und Anwendungen. Berlin 2017.
[3] Bracht, U.; Geckler, D.; Wenzel, S.: Digitale Fabrik – Methoden und Praxisbeispiele. Berlin 2018.
[4] Bauernhansl, T.; Krüger, J.; Reinhart, G.; Schuh, G.: WGP-Standpunkt Industrie 4.0, Wissenschaftliche Gesellschaft für Produktionstechnik. Darmstadt 2016.
[5] Schuh, G.; Anderl, R.; Gausemeier J.; ten Hompel, M.; Wahlster, W.: Industrie 4.0 Maturity Index. Die digitale Transformation von Unternehmen gestalten (acatech STUDIE). München 2017.
[6] Abele, E.; Reinhart, G.: Zukunft der Produktion, Herausforderungen und Chancen. München 2011.
[7] Kelkar, O.; Heger, H.; Dao, D.-H.: Industrie 4.0 – Eine Standortbestimmung der Automobil- und Fertigungsindustrie. 2014.
[8] Kagermann, H.; Wahlster, W.; Helbig, J.: Umsetzungsempfehlungen für das Zukunftsprojekt Industrie 4.0. Deutschlands Zukunft als Produktionsstandort sichern. Abschlussbericht des Arbeitskreises Industrie 4.0. Frankfurt am Main 2013.
[9] Schlick, J.; Stephan, P.; Zühlke, D.: Produktion 2020 – Auf dem Weg zur 4. industriellen Revolution. In: IM – Fachzeitschrift für Information Management und Consulting 27 (2012) 3, S. 26-33.
[10] Holer, S.; Müller, E.: Strukturplanung zukünftiger Produktionssysteme. Die erfolgreiche Transformation für die Planung und der Betrieb der Smart Factory. In: Industrie 4.0 Management 33 (2017) 3, S. 54-58.
[11] Mayer, M.; Mieschner, M.: Industrie 4.0 – Chance oder Risiko für die Ablaufsimulation. In: Wenzel, S.; Peter, T. (Hrsg): Simulation in Produktion und Logistik. 17. Fachtagung. Kassel 2017, S. 1-7.
[12] Lieberoth-Leden, C.; Roschinger, M.; Lechner, J.; Günthner, W.-A.: Logistik 4.0. In: Reinhart, G. (Hrsg): Handbuch Industrie 4.0. Geschäftsmodelle, Prozesse, Technik. München 2017, S. 451-512.