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Die vernetzte Industrie und das Internet of Things that Really Matter – Teil I

u-blox connected industry

Ob es nun unter der Bezeichnung Industrial Internet of Things (IIoT) oder Industrie 4.0 läuft, die Erfassung, Kommunikation und Analyse von Daten zur Verbesserung von Prozessen und Ergebnissen verändert ganze Branchen, von der verarbeitenden Industrie und dem Gesundheitswesen über das Transportwesen, Flottenmanagement, den Bergbau und die Landwirtschaft.

Während ein Grossteil der Aufmerksamkeit darauf gerichtet ist, so viele Rohdaten wie möglich zu erfassen, dann zu analysieren und den wichtigsten Entscheidungsträgern zu präsentieren, ist eine Verschiebung der Schwerpunkte heute im Gang. Sie besteht darin, dass Ort und Zeitpunkt der Datenerfassung genauso wichtig werden wie die sichere Kommunikation und die Daten selbst. Diese Verschiebung des Schwerpunkts hin zu „kontextreicheren“ Daten bietet Anwendungsentwicklern und Systemdesignern in der Manege der IoT‑Anwendungen hochinteressante Möglichkeiten.

Anstatt beispielsweise einfach nur einen gefährlichen Stoss oder ein Schlagloch auf der Strasse mit Hilfe von Sensoren für die Überwachung von Reifendruck oder Aufhängung zu erkennen, können die Daten kombiniert und mit genauen Standortdaten kommuniziert werden, so dass andere LKWs in einer Flotte diese Stelle vermeiden und flottenweite Schäden verhindern können.

Heute werden bereits viele grundlegende Aspekte von Fahrzeugflotten mit Hilfe von elektronischen Logging‑Geräten (ELD, Electronic Logging Device) überwacht. Zu wichtigen Parametern gehören: Fahrleistung, Standort, Pausen, Einsatz des Motors und Betriebsstunden. Durch die Integration von Druck-, Gas- und Temperatursensoren in Reifen und Motorsteuereinheiten (ECUs, Engine Control Units) zur Verfolgung von Variablen wie Vibrationen, Feuchtigkeit und Abgasen kann der Gesamtzustand eines Fahrzeugs nun in Echtzeit überwacht werden. Dies ermöglicht eine vorbeugende Wartung und verhindert katastrophale Ausfälle. Der Hauptunterschied besteht hier natürlich in der Notwendigkeit, das betreffende Fahrzeug mit präziser Ortungstechnologie und sicherer Datenkommunikation zu verfolgen.

Diese Anforderung an die Präzision erhält eine ganz neue Bedeutung, da sich die Flottenmanagement- und Personenbeförderungsbranche immer mehr für teilautonome oder vollautonome Fahrzeuge interessiert. Bei diesen werden weniger oder gar keine menschlichen Eingriffe mehr erforderlich sein mit der Aussicht auf einen Rückgang der Unfälle und wirtschaftlichere Transportsysteme.

In der Landwirtschaft kann Industrial IoT zur Sicherung der weltweiten Nahrungsmittelversorgung beitragen. Bei voraussichtlich 9.1 Milliarden Menschen weltweit bis 2050 kann der Einsatz von vernetzten Sensoren zur Erfassung von Temperatur, Bodenbeschaffenheit, Sonnenlicht und Feuchtigkeit die notwendigen Daten liefern, um für eine optimale Landnutzung zu sorgen. Dann können genaue Ortungsdienste und zeitnahe Kommunikation von Daten dafür sorgen, dass Erntemaschinen die entsprechenden Pflanzen schnell und effizient zum optimalen Zeitpunkt ernten.

In einer medizinischen Anwendung können die genaue Position und Zeit des Sturzes eines Patienten oder die Häufigkeit von erhöhtem Blutdruck bzw. Herzrhythmusstörungen mit Aktivitäten korreliert werden. Damit erhält das medizinische Personal ein genaueres Bild der Gesundheit des Patienten. Ebenso wichtig ist eine schnelle und zeitnahe Kommunikation, z. B. bei der Aktualisierung des Patientenzustands bei Rettungsdiensten. In einem stadtweiten Stromverteilungsnetz ist die Echtzeitkommunikation mit Informationen rund um das „Wo und Wann“ eines Schaltungsausfalls entscheidend für die Identifizierung der ursprünglichen Ursache eines Problems. Ein Ausfall kann nämlich zu einer Kette von Ereignissen führen, die die Erkennung der Ursache des Problems erschweren.

Über die Produktionsstätte hinaus gilt die Analogie der Zustandsüberwachung auch für Fertigprodukte. Durch Echtzeitkommunikation, d. h. die Verfolgung, wo und wann ein Gerät ausgefallen ist, und die Kombination dieser Informationen mit Temperatur, Feuchtigkeit, Vibration und anderen Kontextparametern, kann eine klare Analyse der Produktnutzung und der Ausfallmodi abgeleitet und in die Designanforderungen für die nächste, verbesserte Iteration eines Gerätes oder Systems einfließen. Dies hat das Potenzial, die Gesamtqualität zu verbessern, die Herstellungskosten zu senken und das Benutzererlebnis zu verbessern.

Natürlich geht das Potenzial all dessen verloren, wenn Daten, Zeit und Ort ungenau sind oder nicht kommuniziert wurden, weil die Systeme, Kommunikationsschnittstellen und -netzwerke schlecht implementiert, unzuverlässig, hoch verzögert und unsicher sind. Garbage In, Garbage Out, wie man so schön sagt. Ungenauigkeiten und hohe Latenzzeiten von 150 Millisekunden oder mehr können für Konsumgüter‑Gadgets und in Heimnetzwerken tolerierbar sein, für die Industrie jedoch sind maximale Leistung, Robustheit, Sicherheit und Zuverlässigkeit entscheidend.

Diese Anforderung an die Positionsgenauigkeit bis in den Zentimeterbereich und die Zeitgenauigkeit bis in den Mikrosekundenbereich muss auch mit der immer aktuellen Anforderung nach extrem geringem Energieverbrauch abgestimmt werden. Darüber hinaus müssen die Robustheit, Störfestigkeit, Sicherheit und Temperaturbeständigkeit von -40˚C bis +105˚C für Automotive Anwendungen (nach AEC‑Q100) erfüllt sein.

Diese Anforderung an die Genauigkeit hat verschiedene Normungsgremien und Innovatoren veranlasst, erneut zu prüfen, wie globale Satellitennavigationsdienste (GNSS) wie GPS, BeiDou und GLONASS, Wireless- und Mobilfunktechnologien auf der Kurzstrecke gemeinsam genutzt werden können, um möglichst genaue Zeit- und Positionsinformationen zu liefern.

Techniken wie die Analyse von AoA (Angle of Arrival) und AoD (Angle of Departure) auf Bluetooth‑Signalen und die Analyse der ToF (Time of Flight) und der Fingerabdrücke von Wi‑Fi‑Netzwerken mit Access Point‑Signalen sind derzeit in Arbeit, während die Ultra‑Wideband‑Signalübertragung (UWB) wieder an Fahrt gewinnt, um auch bei der Standortbestimmung zu helfen.

Der Mobilfunkbereich durchläuft seine eigene Diversifikation. Noch bis vor kurzem lag der Schwerpunkt auf höheren Datenraten, um den Anforderungen von Multimedia‑Anwendungen gerecht zu werden. Heute liegt der Fokus allerdings auch auf Narrowband IoT (NB‑IoT), um die Kommunikation von Sensoren im Innen- und Aussenbereich mit geringer Leistung in lizenzierten Bändern zu ermöglichen.

Darüber hinaus wird die Gesamtarchitektur eines IoT‑Netzwerks überprüft. Früher wurde angenommen, dass separate, manchmal kostspielige Gateway‑Geräte erforderlich seien, um diese unterschiedlichen Netzwerke mit intelligenten Sensoren zusammenzuführen. Es hat sich jedoch herausgestellt, dass Smartphones, die bereits über Sensoren verfügen, welche mit Bluetooth Low Energy-, Wi‑Fi-, NFC- und Mobilfunkfähigkeiten fusioniert sind, in vielen Anwendungen durchaus ausreichen dürften. Bei korrekter Implementierung können sie auch bereits viele der Sicherheitsfunktionen aufweisen, die für ein vertrauenswürdiges Gateway‑Gerät erforderlich sind.

Viele der Techniken zur Erlangung einer genauen Zeit und eines genauen Ortes werden noch immer untersucht und entwickelt, aber die Designer müssen gründlich und schnell darüber nachdenken, wie sie sie integrieren können, da die Chancen in Industrial IoT schnell ansteigen und einen klaren Anreiz bieten, dieses kontextbezogene Datenparadigma richtig zu gestalten.

Das Marktforschungsunternehmen MarketandMarkets prognostiziert, dass der Industrial IoT‑Markt (IIoT) zwischen 2015 und 2020 mit einer zusammengesetzten jährlichen Wachstumsrate (CAGR) von 8.03 % wachsen wird und dann insgesamt ein Volumen von 151 Milliarden US‑Dollar erreichen wird.

Während der Bericht die Fortschritte bei Halbleitern, Cloud Computing, die Standardisierung von IPv6 und die weltweite staatlichen Unterstützung als wichtige Triebkräfte nennt, sollten diese genauer als Befähigungsfaktoren bezeichnet werden. Der eigentliche Treiber ist die Fertigung, die laut Bericht den grössten Anteil am IIoT‑Markt hat, aus vielen der oben beschriebenen Gründen der Fabrikautomatisierung und -steuerung.  

Zu den Bereichen, die von der Smart Factory in erster Linie profitieren werden, gehören Product Lifecycle Management (PLM), Elektronik, Werkstoffe und Bergbau, Feldgeräte und Machine Vision (digitale Bildverarbeitung).

Connected Industry

Reduzierte Betriebskosten, verbesserte Produktivität und das Potenzial für neue Einnahmequellen sind nur drei der vielen Gründe, warum Industrial IoT die Fantasie von Designern und Unternehmen gleichermassen beflügelt hat. (Quelle: World Economic Forum)

Dem Bericht zufolge hängt der erste Business Case für die Einführung von IoT für die meisten etablierten Hersteller, Energieunternehmen, landwirtschaftlichen Erzeuger und Gesundheitsdienstleister mit den bereits skizzierten Einsparungen und Verbesserungen zusammen, während gleichzeitig neue Einnahmequellen erschlossen und die Produktivität sowie die Arbeitsbedingungen der Arbeitenden verbessert werden können. Insbesondere wird der Einsatz von UAVs (Unmanned Aerial Vehicles) zur Inspektion von Pipelines sowie die Minimierung der Exposition der Arbeitenden in gefährlichen Umgebungen genannt.

Im Gesundheitswesen ist IoT ideal für vernetzte Medizinprodukte, von der Triage zur Priorisierung medizinischer Hilfe in der Notfall- oder Katastrophenmedizin über zuhause getragene, medizinische Wearables bis hin zur Überwachung im Krankenhaus und schnellen Verabreichung von Medikamenten. IoT kann die Patientenversorgung verbessern und gleichzeitig die Krankenhausressourcen besser nutzen.

Die vernetzte Industrie und das Internet of Things that Really Matter – Teil II