Auswirkungen der Industrie 4.0 auf die Arbeitsplätze. Die digitale Transformation im produzierenden Gewerbe

Inhaltsverzeichnis

Abbildungsverzeichnis

Tabellenverzeichnis

Abkürzungsverzeichnis

1 Einleitung

2 Die Industrie im Wandel – Grundlagen und Gesamtzusammenhang
2.1 Abgrenzung und Bedeutung des produzierenden Gewerbes
2.2 Historie und Entwicklung der Industrie
2.3 Begriffliche Definition von Industrie 4.0
2.4 Darstellung digitaler Technologien
2.5 Vision einer intelligenten Fabrik
2.6 Diskurs um Industrie 4.0 – Akteure und Interessen
2.7 Zwischenfazit

3 Analyse der Beschäftigungsstrukturen im produzierenden Gewerbe
3.1 Datenbasis und Vorgehensweise
3.2 Anzahl der Erwerbstätigen
3.3 Anforderungsniveau der Arbeitsplätze
3.4 Bildungsniveau der Beschäftigten
3.5 Demografische Entwicklung in Deutschland
3.6 Zwischenfazit

4 Szenarien der Beschäftigungsentwicklung im produzierenden Gewerbe
4.1 Szenario 1 – Negative Beschäftigungsentwicklung
4.2 Szenario 2 – Positive Beschäftigungsentwicklung
4.3 Szenario 3 – Ambivalente Beschäftigungsentwicklung
4.4 Zusammenfassung und kritische Würdigung der Ergebnisse

5 Schlussbetrachtung und Ausblick

Literaturverzeichnis

Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek:

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Impressum:

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Abbildungsverzeichnis

Abb. 1: Weltweite Beliebtheit des Suchbegriffs „Industry 4.0“

Abb. 2: Bruttowertschöpfung in Deutschland nach Wirtschaftsbereichen (2015)

Abb. 3: Vier Stufen der industriellen Revolution

Abb. 4: Komponenten eines Cyber-physischen Systems

Abb. 5: Einsatz eines Cyber-physischen Systems als Mobilitätsassistent

Abb. 6: Horizontale und vertikale Integration

Abb. 7: Erwerbstätige im produzierenden Gewerbe von 2006 bis 2015

Abb. 8: Anforderungsniveau der Arbeitsplätze im produzierenden Gewerbe

Abb. 9: Berufsabschlüsse der Beschäftigten im produzierenden Gewerbe

Abb. 10: Herausforderungen der vierten industriellen Revolution

Abb. 11: Beschäftigungsimpulse nach Branchen im Jahr 2030

Tabellenverzeichnis

Tab. 1: Anforderungsniveau der KldB 2010

Tab. 2: Anforderungsniveau der Arbeitsplätze im verarbeitenden Gewerbe

Tab. 3: Berufsabschlüsse der Beschäftigten im verarbeitenden Gewerbe

Abkürzungsverzeichnis

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

1 Einleitung

Industrie 4.0 – kaum ein anderer Begriff aus der Informations- und Produktionstechnik ist in den letzten Jahren derart stark in das Zentrum des medialen Interesses gerückt wie dieser. Seit der Hannover Messe^[1] 2011, der vermeintlichen Geburtsstunde von Industrie 4.0 in Deutschland, steigt das wirtschaftliche, politische und gesellschaftliche Interesse an der sogenannten „vierten industriellen Revolution“ kontinuierlich an.^[2]

Diese Entwicklung kann mit Hilfe von GoogleTrends – einem Statistik-Tool der Internetsuchmaschine Google Inc., das die angefragten Suchbegriffe der Internetnutzer in Echtzeit veröffentlicht – visualisiert werden. Anhand der nachfolgenden Abbildung wird die weltweite Beliebtheit des Suchbegriffs „Industry 4.0“^[3] von Januar 2004 bis September 2016 dargestellt.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 1: Weltweite Beliebtheit des Suchbegriffs „Industry 4.0“^[4]

Die Abbildung verdeutlicht, dass die Zahl der Suchanfragen seit 2011 einem kontinuierlichen Aufwärtstrend unterliegt, d. h. die relative Beliebtheit des Begriffs „Industry 4.0“ steigt. Im Monat September 2016 weist das Schlagwort die bislang höchste Suchanfragenfrequenz auf. Da das Suchinteresse grundsätzlich relativ zum Maximalwert abgebildet wird, versieht Google Inc. diesen Wert mit 100 Prozent. Absolut betrachtet liefert eine Google -Suche nach „Industry 4.0“ derzeit ca. 101.000.000 Treffer weltweit.^[5]

Aber was verbirgt sich hinter der vierten industriellen Revolution? Was macht diesen industriellen Umbruch derart interessant und komplex, dass er seit 2013 kontinuierlich zum Leitthema der weltweit größten Industriemesse erklärt wird?^[6]

Bisher existiert in der Literatur für Industrie 4.0 keine eindeutige Begriffsbestimmung.^[7] Das spiegelt die Vielfältigkeit bzw. die Unübersichtlichkeit des aktuellen Diskurses wieder. In dieser Arbeit wird Industrie 4.0 als digitale Transformation des produzierenden Gewerbes definiert (vgl. Kapitel 2.3).

Im Zusammenhang mit der digitalen Transformation fallen z. B. Aussagen wie die folgenden:

„Eines ist bereits klar: Industrie 4.0 wird die Arbeitswelt stark verändern.“^[8]

„Wie die Zukunft der Produktionsarbeit aussehen wird, ist alles andere als klar.“ ^[9]

„Industrie 4.0 – geht uns die Arbeit aus?“^[10]

„Das Märchen vom digitalen Tod der Arbeitswelt.“^[11]

„Digitaler Tod der Arbeitswelt“? – Die Dramaturgie, die sich hinter diesem Zitat verbirgt, ist selbsterklärend. Industrie 4.0 wird in der öffentlichen Wahrnehmung mit einem Wandel oder sogar mit einer Bedrohung der Arbeitswelt gleichgesetzt.

Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wird untersucht, was sich hinter der vierten industriellen Revolution tatsächlich verbirgt. Aus gegebenem Anlass wird der Fragestellung nachgegangen, wie sich Industrie 4.0 auf die zukünftige Beschäftigung im produzierenden Gewerbe auswirken könnte. Ziel der Arbeit ist es, mögliche Szenarien der Beschäftigungsentwicklung darzustellen und vor dem Hintergrund bestehender Interessenkonflikte zwischen Wirtschaft, Politik und Wissenschaft kritisch zu betrachten.

Hierbei kann die Arbeit in die drei folgenden Hauptabschnitte unterteilt werden:

I. „Die Industrie im Wandel – Grundlagen und Gesamtzusammenhang“
II. „Analyse der Beschäftigungsstrukturen im produzierenden Gewerbe“
III. „Szenarien der Beschäftigungsentwicklung im produzierenden Gewerbe“

Der erste Abschnitt der Arbeit (vgl. Kapitel 2) widmet sich der Bedeutung des produzierenden Gewerbes, der historischen Entwicklung der Industrie sowie der terminologischen Klärung des Begriffs Industrie 4.0. Anschließend erfolgt eine Einführung in die technologischen Grundlagen. Diese ist notwendig, um im Weiteren die Vorstellungen und Ideen rund um Industrie 4.0 verstehen zu können. Zudem werden die Gestalter des industriellen Wandels sowie deren Interessen und Ziele identifiziert.

Darauf aufbauend werden im zweiten Abschnitt der Arbeit (vgl. Kapitel 3) die derzeitigen Beschäftigungsstrukturen im produzierenden Gewerbe anhand von verschiedenen Merkmalen (Zahl der Erwerbstätigen, Anforderungsniveau der Arbeitsplätze, Bildungsniveau der Beschäftigten) analysiert. Als Datengrundlage dienen hierbei sowohl die Erwerbstätigkeitsrechnung des Statistischen Bundesamtes als auch die Beschäftigungsstatistik der Bundesagentur für Arbeit. Zusätzlich wird der Einfluss des demografischen Wandels auf das Arbeitskräfteangebot im industriellen Sektor thematisiert.

Im Fokus des dritten Abschnitts der Arbeit (vgl. Kapitel 4) stehen mögliche Beschäftigungsszenarien im produzierenden Gewerbe. Anhand von aktuellen Forschungsergebnissen wird ausgewertet, welche Wirkung Industrie 4.0 auf die zukünftige Beschäftigung entfalten könnte. Ein besonderes Augenmerk gilt hierbei der prognostizierten Arbeitskräftenachfrage sowie der Anforderungsstrukturen. Da bisher nur wenige Studienergebnisse speziell für das produzierende Gewerbe existieren, wird im Zuge der Analyse zusätzlich auf Berichte ohne Branchenklassifizierung zurückgegriffen. Die Ergebnisse können anschließend auf Basis von kausalen Zusammenhängen auf die derzeitige Beschäftigungsstrukturen im produzierenden Gewerbe übertragen werden.

Eine Schlussbetrachtung sowie ein Ausblick auf potentielle Forschungslücken und weitere Denkanstöße beschließen die Arbeit (vgl. Kapitel 5).

An dieser Stelle sei darauf hingewiesen, dass der vorliegenden Bachelorarbeit eine Daten-CD beigefügt ist. Auf dieser befinden sich diverse Excel-Dateien, die als eigene Berechnungsgrundlage für die Bruttowertschöpfung (vgl. Kapitel 2.1), die Erwerbstätigkeitszahlen (vgl. Kapitel 3.2), das Anforderungsniveau der Arbeitsplätze (vgl. Kapitel3.3) sowie das Bildungsniveau der Beschäftigten (vgl. Kapitel 3.4) im produzierenden Gewerbe erstellt wurden. Anhand dieser Daten können alle vorgenommenen Berechnungsschritte nachvollzogen werden. Sofern eigene Berechnungen durchgeführt wurden, wird in der jeweiligen Fußnote bzw. im Fließtext der Arbeit auf die CD verwiesen.

2 Die Industrie im Wandel – Grundlagen und Gesamt­zusammenhang

Nach einer Einführung in die Bedeutung des produzierenden Gewerbes für Deutschland, wird in diesem Kapitel die Historie des industriellen Wandels skizziert und „Industrie 4.0“ – die vierte industrielle Revolution definiert. Anschließend werden sowohl die technologischen Neuerungen als auch die Interessen von Wirtschaft, Politik und Wissenschaft an der vierten industriellen Revolution dargelegt.

2.1 Abgrenzung und Bedeutung des produzierenden Gewerbes

Nach der Klassifikation der Wirtschaftszweige des statistischen Bundesamtes umfasst das produzierende Gewerbe die folgenden vier Abschnitte: den Bereich Bergbau und Gewinnung von Steinen und Erden, das verarbeitende Gewerbe, den Bereich Energie- und Wasserversorgung sowie das Baugewerbe. Häufig wird jedoch das produzierende Gewerbe ohne das Baugewerbe betrachtet, da sich dieses anders entwickelt als die übrigen – so auch im Rahmen dieser Arbeit.^[12]

Die Industrie bzw. der sekundäre Sektor^[13] werden mit dem produzierenden Gewerbe inhaltlich gleichgesetzt, sodass die Begriffe im Folgenden synonym verwandt werden.^[14]

Anhand der Abbildung 2 wird aufgezeigt, welche Bedeutung die Industrie für die Bruttowertschöpfung in Deutschland hat. Die Bruttowertschöpfung umfasst alle im Produktionsprozess geschaffenen Mehrwerte (Waren und Dienstleistungen).^[15]

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 2: Bruttowertschöpfung in Deutschland nach Wirtschaftsbereichen (2015)^[16]

Anhand der Daten einer Erhebung des Statistischen Bundesamtes konnte ermittelt werden, dass das produzierende Gewerbe im Jahr 2015 26 Prozent, also mehr als ein Viertel der gesamten Bruttowertschöpfung, generierte (vgl. Abb. 2 und Daten-CD).

Die Wirtschaftskraft innerhalb des produzierenden Gewerbes wird überwiegend durch das verarbeitende Gewerbe bestimmt: rund 88 Prozent der Wertschöpfung wurden im Jahr 2015 hier erwirtschaftet. Zu den Industriezweigen des verarbeitenden Gewerbes zählen u. a. die Lebensmittel-, Textil- und Chemieindustrie sowie das Metall verarbeitende Gewerbe und der Fahrzeug- und Maschinenbau.^[17] Die restlichen 12 Prozent der Bruttowertschöpfung des produzierenden Gewerbes entfielen auf das sogenannte „nicht verarbeitende Gewerbe“^[18].

Die Wirtschaftsleistung des industriellen Sektors konnte im Jahr 2015 lediglich von der Dienstleistungsbranche übertroffen werden: Mit rund 68 Prozent wurde hier die höchste Bruttowertschöpfung des Landes generiert. Nicht zu verkennen ist jedoch, dass das produzierende Gewerbe einer der wichtigsten Abnehmer von Dienstleistungen ist und damit die Basis für die Bruttowertschöpfung des tertiären Sektors bildet. Das unterstreicht die Wichtigkeit der deutschen Industrie. Auch wenn langfristig ein Trend zur Tertiarisierung, d. h. eine Verlagerung weg von der Urproduktion hin zur Erbringung von Dienstleistungen zu beobachten ist, ist Deutschland eine Industrienation.^[19]

Im europäischen Vergleich ist die Bedeutung des produzierenden Gewerbes in Deutschland gemäß des Statistischen Amtes der Europäischen Union (Eurostat) größer als in anderen Volkswirtschaften der Europäischen Union (EU). So betrug der Bruttowertschöpfungsanteil des produzierenden Gewerbes im Jahr 2015 in Italien 19 Prozent, in Spanien 17 Prozent, in Frankreich 14 Prozent und im Vereinigten Königreich 13 Prozent. Folglich liegt das produzierende Gewerbe in Deutschland mit einem Bruttowertschöpfungsanteil von 26 Prozent deutlich oberhalb des EU-Durchschnitts, der sich auf 19 Prozent beläuft.^[20] Prof. Dr. Henning Kagermann ^[21] bezeichnet Deutschland als einen der „konkurrenzfähigsten Industriestandorte weltweit.“^[22]

Aus der Perspektive des Arbeitsmarktes ergibt sich folgendes Bild: Im Jahr 2015 galten insgesamt 43.057.000 Menschen in Deutschland als erwerbstätig.

Davon waren 8.087.000 im produzierenden Gewerbe beschäftigt.^[23] Das entspricht einem Anteil von 19 Prozent oder anders gesagt: Jeder fünfte Arbeitsplatz in Deutschland ist der Industrie zuzurechnen (Angaben gemäß Inlandskonzept^[24] ).

Daraus lässt sich die Schlussfolgerung ziehen, dass der industrielle Sektor von großer Bedeutung für die deutsche Volkswirtschaft ist. Zum einen erwirtschaftete der Sektor mehr als ein Viertel der gesamten Bruttowertschöpfung, zum anderen sicherte das produzierende Gewerbe eine Vielzahl deutscher Arbeitsplätze. Damit ergibt sich im Hinblick auf die Forschungsfrage nicht nur ein wirtschaftliches, sondern auch ein gesellschaftliches Interesse (Arbeitsplätze) für die Auswirkungen von Industrie 4.0 auf die Beschäftigung im produzierenden Gewerbe.

Das nächste Kapitel der Arbeit zeigt in Kürze die industrielle Entwicklung Europas anhand der sogenannten vier Stufen der industriellen Revolution auf.

2.2 Historie und Entwicklung der Industrie

Die Industrie hat sich in den vergangenen Jahrhunderten mehrfach stark gewandelt. Grund dafür war die industrielle Revolution, die in der Literatur als „rapider und sozial spannungsreicher Übergang von der Agrar- zur Industriegesellschaft“^[25] bezeichnet wird. Anhand der Abbildung 3 werden die vier Stufen der industriellen Revolution, deren Einteilung in der Literatur umstritten ist^[26], im Folgenden dargestellt.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 3: Vier Stufen der industriellen Revolution^[27]

Der industrielle Wandel kann in vier Entwicklungsstufen eingeteilt werden: Beginnend mit der Mechanisierung (Stufe 1), folgte die Elektrifizierung (Stufe 2), anschließend die Automatisierung (Stufe 3) und letztlich „Industrie 4.0“ (Stufe 4) (vgl. Abb. 2).

Die Produktion erlebte ihren ersten signifikanten Umbruch Ende des 18. Jahrhunderts mit der Einführung des mechanischen Webstuhls in der Baumwollproduktion Großbritanniens. Die Briten entdeckten damals als sogenannte „First Industrial Nation“, dass die Produktion mit Hilfe von wasser- und dampfkraftbetriebenen Produktionsanlagen um ein Vielfaches gesteigert werden kann. Dieser technologische Entwicklungsschritt wird als erste industrielle Revolution bezeichnet.^[28]

Zu Beginn des 20. Jahrhunderts setzte eine zweite Revolution ein. Auslöser für die erneute Welle der Industrialisierung war der Einsatz von elektrischer Energie in der Produktion. Durch die Einführung von elektrisch angetriebenen Fließ- und Förderbändern gelang es, die Ausbringungsmenge erheblich zu steigern – das Zeitalter der Massenproduktion brach an.^[29] Erwähnenswert ist, dass der Industrialisierungsprozess in Deutschland erst deutlich später einsetzte als in Großbritannien. Aus diesem Grund galt die deutsche Industrie lange Zeit als rückschrittlich. Erst zu Beginn des zweiten Weltkrieges gelang es Deutschland, Großbritannien in dieser Hinsicht zu überholen.^[30]

Anfang der 70er Jahre mündete die zweite industrielle Revolution in die bis heute andauernde dritte industrielle Revolution. Diese basiert auf einer zunehmenden Automatisierung der Produktionsprozesse durch den Einsatz von Robotern, sodass die heutige Produktionstechnik einen beachtlichen Anteil der körperlichen und geistigen Arbeitsleistung eines Menschen durch Maschinen ersetzen kann.^[31]

Parallel dazu kündigt sich im 21. Jahrhundert eine neue Ära der Produktion an: Die sogenannte vierte industrielle Revolution auf Basis von Cyber-physischen Systemen. Diese wird auch als „Industrie 4.0“, in Anlehnung an die vierte Entwicklungsstufe der industriellen Revolution, bezeichnet.^[32] An dieser Stelle sei erwähnt, dass Industrie 4.0 heute keineswegs Realität, sondern vielmehr ein Zukunftsszenario der Produktion ist.

Das nächste Kapitel der Arbeit zeigt auf, wie Industrie 4.0 in Fachkreisen definiert wird. Im Ergebnis wird erläutert, wie der Begriff im Rahmen dieser Arbeit zu verstehen ist.

2.3 Begriffliche Definition von Industrie 4.0

Der Begriff Industrie 4.0 wird auf Prof. Dr.Henning Kagermann, Prof. Dr.Wolf-Dieter Lukas ^[33] und Prof Dr.Wolfgang Wahlster ^[34] zurückgeführt. Sie gelten als „Industrie 4.0-Wortschöpfer“, da sie das gleichnamige Zukunftsprojekt der Bundesregierung Deutschland auf der Hannover Messe 2011 erstmals vorstellten. Seither wird das Thema in der breiten Öffentlichkeit mit großem Interesse verfolgt und diskutiert (vgl. Kapitel 1). Jedoch basiert dieser Diskurs auf keiner einheitlichen Definition.

Grundlegend betrachtet erinnert der Begriff Industrie 4.0 an die aus der Informationstechnik stammende Bezeichnung „Web 4.0“, in der Realität und virtuelle Welt aus Sicht des Internetnutzers verschmelzen. In Anlehnung daran impliziert die Wortschöpfung Industrie 4.0 eine Verschmelzung der Produktionstechnik mit modernster Informations- und Kommunikationstechnik.^[35]

Viele Autoren definieren Industrie 4.0 als „digitale Transformation des produzierenden Gewerbes“^[36]. Eine digitale Transformation liegt vor, wenn digitale Technologien zielgerichtet eingesetzt werden, um die Wertschöpfungsprozesse eines Unternehmens neu- oder umzugestalten.^[37]

Andere Autoren hingegen bevorzugen eine detaillierte Begriffsbestimmung, wie z. B. der „Arbeitskreis Industrie 4.0“ ^[38], der darunter folgendes versteht:

„Eine Vernetzung von autonomen, sich situativ selbst steuernden, sich selbst konfigurierenden, wissensbasierten, sensorgestützten und räumlich verteilten Produktionsressourcen (Produktionsmaschinen, Roboter, Förder- und Lagersysteme, Betriebsmittel) inklusive deren Planungs- und Steuerungssysteme.“^[39]

Anhand dieser Definition wird deutlich, dass der Arbeitskreis für sich festgelegt hat, wie sich die Digitalisierung auf die verfügbaren Ressourcen im Produktionsprozess auswirken könnte.

Die Arbeitsgruppe formuliert hiermit eine Vision – die Vision von sich selbst steuernden Ressourcen innerhalb der Produktion.

Eine weitere Definition von Industrie 4.0 liefert Prof. Armin Roth ^[40], der in seiner wissenschaftlichen Ausarbeitungen folgende Annahme trifft:

„Industrie 4.0 umfasst die Vernetzung aller menschlichen und maschinellen Akteure über die komplette Wertschöpfungskette sowie die Digitalisierung und Echtzeitauswertung aller hierfür relevanten Informationen, mit dem Ziel die Prozesse der Wertschöpfung transparenter und effizienter zu gestalten, um mit intelligenten Produkten und Dienstleistungen den Kundennutzen zu optimieren.“^[41]

Anhand der exemplarisch ausgewählten Definitionen wird deutlich, dass es unterschiedlich detaillierte Auffassungen von Industrie 4.0 gibt.

In dieser Arbeit wird Industrie 4.0 wie in vielen anderen Publikationen als digitale Transformation des produzierenden Gewerbes ausgelegt. Kritisch betrachtet handelt es sich hierbei um eine sehr allgemein gefasste Definition. Diese Verallgemeinerung scheint jedoch im Hinblick auf das Ziel der Arbeit – die Darstellung möglicher Szenarien der Beschäftigungsentwicklung im produzierenden Gewerbe – sinnvoll zu sein. Der Grund dafür ist, dass Zukunftsszenarien auf Prognosen basieren. Prognosen enthalten (neben wissenschaftlich begründeten Aussagen) subjektive Einschätzungen unterschiedlicher Interessengruppen. Jede Interessengruppe hat wiederum eigene Vorstellungen von Industrie 4.0 sowie deren Auswirkung auf die Beschäftigungsentwicklung. Diese Vorstellungen und Ideen von Experten und Nicht-Experten aus unterschiedlichen Fachbereichen sollen gebündelt und nicht durch eine starre Definition eingeschränkt werden.

Um die Vorstellungen und Ideen rund um Industrie 4.0 verstehen zu können, wird im nächsten Kapitel aufgezeigt, welche neuartigen und teilweise schon vorhandenen Technologien dazu führen, dass von einer bevorstehenden vierten industriellen Revolution gesprochen wird.

2.4 Darstellung digitaler Technologien

Wie in Kapitel 2.2 dargestellt, beruht Industrie 4.0 auf dem Einsatz von Cyber-physischen Systemen. Derartige Systeme basieren auf den technologischen Ansätzen des „Ubiquitous Computing“, des „Internet der Dinge und Dienste“ sowie des „Cloud Computing“ (vgl. Abb. 3).^[42]

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 4: Komponenten eines Cyber-physischen Systems^[43]

Diese technologischen Ansätze werden im Folgenden kurz erläutert, um anschließend die Funktionsweise eines Cyber-physischen Systems besser verstehen zu können.

2.4.1 Ubiquitous Computing

Ubiquitous Computing (U. C.) wird definiert als „Allgegenwart rechnergestützter Informationsverarbeitung.“^[44] Allgegenwart bedeutet, dass nicht nur ein PC in der Lage ist rechnergestützte Informationen zu verarbeiten, sondern auch alltägliche Objekte wie z. B. ein Kühlschrank. Das U. C. verleiht einem physischen Objekt die Fähigkeit, Daten zu verarbeiten und zu verschicken. Dies gelingt, indem das Objekt mit geeigneter Hard- und Software ausgestattet wird.^[45] Als Hardware werden alle technischen Elemente (Geräte und Teile) eines Computers bezeichnet.^[46] Die Software hingegen umfasst alle Programme eines Computers. Ohne geeignete Software ist die Hardware eines Computers nicht betriebsfähig.^[47] Folglich verbirgt sich hinter der Idee des U. C. die Vorstellung, von außen nicht sichtbare Computer in Objekten der menschlichen Umgebung zu integrieren – es ist die Allgegenwärtigkeit des Computers.

2.4.2 Internet der Dinge und Dienste

Das Internet der Dinge (engl. internet of things) gilt als „Verbindungsstück“ zwischen den Objekten des U. C. und dem Internet, sodass die Objekte in der Lage sind netzbasiert zu kommunizieren.^[48] Aufgrund ihrer Kommunikationsfähigkeit untereinander werden die Objekte als intelligent (engl. smart) bezeichnet.^[49] Anfänglich gelang es mittels Informations- und Kommunikationstechnik Laptops, Tablets, Smartphones und Spielekonsolen miteinander zu vernetzen. Heute kann der Verbraucher vernetzte Glühbirnen^[50], intelligente Heizkörper-Thermostate^[51] oder smarte Zahnbürsten^[52] erwerben. Das Unternehmen Gartner Inc., ein Anbieter von Marktforschungsergebnissen im IT-Bereich, prognostiziert, dass die Zahl der vernetzten Geräte im Internet der Dinge bis 2020 auf über 20,8 Billionen weltweit steigen wird. Alleine in 2016 werden laut Einschätzung des Unternehmens jeden Tag 5,5 Millionen Neugeräte miteinander vernetzt.^[53] Anhand dessen wird greifbar, mit welcher Geschwindigkeit die virtuelle Vernetzung künftig Einzug in die Gesellschaft erhalten wird.

Gleichzeitig wird die Möglichkeit der Vernetzung zunehmend auch von der Industrie entdeckt. In Kapitel 2.5 wird erläutert, wie z. B. intelligente Produktions- und Fertigungsanlagen im produzierenden Gewerbe zum Einsatz kommen könnten.

Parallel zum Internet der Dinge entsteht ein sogenanntes Internet der Dienste (engl. internet of services). In einem Internet der Dienste können sämtliche Dienstleistungen über das Internet abgerufen und zu höherwertigen Dienstleistungen konfiguriert werden. Es entstehen Dienstleistungsplattformen, die automatisch auf Basis einer Nutzeranfrage, ein auf den Kunden zugeschnittenes Komplettangebot an Leistungen generieren.^[54] So werden bereits heute Dienstleistungen unter den Themen „Smart Cars“ (dt. intelligente Fahrzeuge), „Smart Home“ (dt. intelligentes Zuhause) oder „Smart Grid“ (dt. intelligentes Stromnetz) im Internet angeboten. Im produzierenden Gewerbe besteht die Vision einer intelligenten Fabrik (engl. smart factory), die in der Lage ist, Dienstleistungen über das Internet zur Verfügung zu stellen.^[55] Diese Vision ist ebenfalls Bestandteil des Kapitels 2.5.

Digitale Technologien wie das vorgestellte U. C. und das Internet der Dinge und Dienste erfordern eine erhöhte Rechenleistung. Um einen unbegrenzten Einsatz der Technologien zu gewährleisten, muss eine erweiterte IT-Infrastruktur geschaffen werden.^[56] Abhilfe schafft das sogenannte Cloud Computing, das Inhalt des nächsten Kapitels ist.

2.4.3 Cloud Computing

Unter Cloud Computing wird die „Nutzung von IT-Ressourcen aus der Cloud“^[57] verstanden. Eine Cloud (dt. Wolke) umfasst „abstrahierte virtuelle IT-Ressourcen (wie zum Beispiel Datenspeicher […]), die von Dienstleistern verwaltet werden.“^[58] Mit Hilfe dieser Datenspeicher können Teile der eigenen IT-Infrastruktur ausgelagert werden, um zusätzliche Rechenkapazitäten zu generieren. Wie die Übersetzung ins Deutsche verdeutlicht, handelt es sich um eine externe Datenverarbeitung in der Wolke. Der Begriff Wolke impliziert, dass der physische Standort der IT-Infrastruktur für den Nutzer nicht sichtbar ist, sondern die Daten „wie aus einer Wolke“ in der Ferne abgerufen werden. Die Speicher- und Datenanalysekapazitäten in dieser Wolke sind faktisch unbegrenzt und bieten immense Möglichkeiten der Datenverarbeitung.^[59] Dr. Ferri Abolhassan ^[60] bezeichnet die Cloud als „Rückgrat und Intelligenz der gesamten Digitalisierung.“^[61]

Nachdem die technologischen Grundvoraussetzungen für das Vorhandensein von Cyber-physischen Systemen aufgezeigt wurden, wird im nächsten Kapitel erläutert, was ein Cyber-physisches Systems ist und wie es konkret zur Anwendung kommt.

2.4.4 Cyber-physische Systeme

Cyber-physische Systeme (CPS) sind der Technologietrend der vierten industriellen Revolution. Gemäß ihrer Namensgebung schaffen die Systeme mittels neuster Kommunikations- und Informationstechnologie eine Verbindung zwischen virtueller und physikalischer (realer) Welt.^[62]

Die Deutsche Akademie der Technikwissenschaften (Acatech) definiert CPS als Systeme, die folgende Eigenschaften aufweisen:

- Sie verfügen über Sensoren und Aktoren.
- Sie erfassen, analysieren und speichern Daten mittels eingebetteter Software.
- Sie sind mit Hilfe von digitalen Netzwerken untereinander verbunden.
- Sie nutzen global verfügbare Daten und Dienste.
- Sie sind mit Mensch-Maschine-Schnittstellen ausgestattet.^[63]

CPS entstehen demnach aus einem Verbund von eingebetteten Systemen, die in physischen Objekten, wie z. B. Gegenständen, Materialien und Fahrzeugen verbaut und über das Internet miteinander vernetzt werden.^[64] Da diese Definition zunächst abstrakt erscheinen mag, wird anhand der Abbildung 5 verdeutlicht, wie ein CPS als Mobilitätsassistent künftig zur Anwendung kommen könnte.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 5: Einsatz eines Cyber-physischen Systems als Mobilitätsassistent^[65]

Das dargestellte Modell visualisiert ein alltägliches Verkehrsszenario in einer Großstadt. Denkbar wäre, dass jedes Beförderungsmittel ein softwareintensives System darstellt, das mit Hilfe von Sensoren permanent Daten aus seiner aktuellen Umgebung erfasst, auswertet und über ein CPS-Leitsystem in das Netz einspeist. Die Informationen werden mittels CPS verschiedenen netzbasierten Diensten zur Verfügung gestellt.^[66] So könnte beispielsweise das Fahrzeug eines Menschen „X“ die Information über eine Beschädigung der Straße „Y“ an die nächstgelegene Straßenmeisterei weitergeben, um die Entstehung einer mögliche Verkehrsbehinderung und/oder Gefahrensituation zu verhindern.

Wenn CPS innerhalb der Produktion im Verbund zum Einsatz kommen, wird i. d. R. von einem Cyber-physischen Produktionssystem (CPPS) gesprochen. Ein CPPS ist in der Lage, Menschen, Maschinen und Ressourcen innerhalb der Produktion intelligent zu vernetzten.^[67]

Bisher sind Industrieunternehmen von einem vollständig integrierten Industrie 4.0-Konzept auf Basis von CPPS weit entfernt. Dennoch besteht die Vision einer intelligenten Fabrik. Dieser Forschungsansatz sowie dessen Potentiale werden im folgenden Kapitel thematisiert.

2.5 Vision einer intelligenten Fabrik

Ein Kernelement von Industrie 4.0 ist die Idee einer intelligenten Fabrik – eine sich selbst organisierende, multiadaptiv ausgelegte Fabrik.^[68] In anderen Worten: Eine Fabrik, die in der Lage ist, eigenständig auf Umwelteinflüsse zu reagieren.

In den Unterabschnitten dieses Kapitels werden die drei nachstehenden Elemente bzw. Merkmale einer intelligenten Fabrik vorgestellt: die horizontale und vertikale Integration, das durchgängig digitale Engineering sowie die Individualisierbarkeit von Produkten.

2.5.1 Horizontale und vertikale Integration

Eine intelligente Fabrik zeichnet sich durch eine horizontale und vertikale Integration aus, die anhand der folgenden Abbildung 6 dargestellt wird.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 6: Horizontale und vertikale Integration^[69]

Wie in Kapitel 2.4.4 erwähnt, ist ein CPPS in der Lage, Produktionsdaten zu erheben und zu verarbeiten. Eine Grundvoraussetzung für einen solchen Datenaustausch durch CPPS ist eine „erfolgreiche vertikale Integration Industrie 4.0-relevanter Systeme in die Systemlandschaft eines Unternehmens. Vertikale Integration bedeutet hierbei, dass alle unternehmensinternen Systeme in eine Hierarchie eingeordnet und Schnittstellen zum Datenaustausch zwischen den entstehenden Hierarchieebenen aufgebaut werden.“^[70] Somit kann ein durchgehender Informations- und Datenfluss vom Vertrieb über die Produktentwicklung bis hin zur Produktion und zum Service gewährleistet werden.^[71]

Die horizontale Integration bezeichnet die Eingliederung von Systemen von Lieferanten und Kooperationspartnern sowie Kunden und weltweit verteilten Unternehmensstandorten in die eigene vertikale Systemlandschaft. So entsteht ein umfassendes Wertschöpfungsnetzwerk, das den Austausch unternehmensinterner und -externer Daten über Ländergrenzen hinweg ermöglicht.^[72]

2.5.2 Durchgängigkeit des Engineerings

Kennzeichnend für eine intelligente Fabrik ist zudem die Durchgängigkeit des Engineerings. Ein durchgängig digitales Engineering bezeichnet das digitale Abbild eines physischen Produktionsprozesses. Das bedeutet, dass alle Prozesse von der Produktentwicklung bis hin zur Planung als Gesamtprozess in Echtzeit visualisiert werden.^[73]

Mit Hilfe solcher Echtzeitauswertungen kann die Produktionsplanung und -steuerung wie folgt optimiert werden: Auf Basis der permanent abrufbaren Daten können reale Anwendungsszenarien digital simuliert werden. Mit Hilfe solcher Simulationen kann der Mensch beobachten, wie sich eine bestimmte Zielgröße (z. B. Produktionsauslastung) in Abhängigkeit zu Einstellungen und Modellparametern verändert.^[74] Die digitale Transparenz über alle Prozesse ermöglicht so eine globale und lokale ad-hoc Optimierung der Produktion, da Entscheidungen schneller und flexibler getroffen werden können.^[75]

In diesem Zusammenhang sei darauf hingewiesen, dass Entscheidungen in der Vision von intelligenten Fabriken nicht nur von Menschen, sondern verstärkt von Maschinen und Produkten getroffen werden könnten. Intelligente Produkte (engl. smart products) werden mit einer Art digitalen Intelligenz ausgestattet, d. h. sie können auf die Daten ihres Herstellungsprozesses zugreifen.

Damit sind Produkte in der Lage, ihren Herstellungsprozess proaktiv in Zusammenarbeit mit intelligenten Maschinen zu steuern.^[76] Angenommen ein Unternehmen erhält kurzfristig einen Auftrag des Kunden XY, der ein zusätzliches Gewinde benötigt, so wird in der Fabrik der Zukunft wie folgt verfahren: Zunächst wird automatisch auf Basis des Kundenauftrags ein Werkstück mit einem Chip ausgestattet, der alle relevanten Kunden- und Produktionsdaten enthält. Das Werkstück wird damit Teil eines CPPS und bahnt sich seinen eigenen Weg durch die Fertigung. Es wählt auf Basis der verfügbaren Maschinenkapazitäten die jeweils passende Maschine aus, ohne die parallel laufende Produktion zu stören. Trifft das Werkstück an einer Fertigungsstation ein, erkennt die Maschine das Objekt und ruft in Echtzeit alle Daten ab, die für die Bearbeitung des Werkstücks an der jeweiligen Station benötigt werden. Somit kann der Kundenauftrag zeitnah und kostengünstig realisiert werden.^[77]

[...]

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^[1] Die Hannover Messe ist laut Angabe des Veranstalters die wichtigste Industriemesse weltweit vgl. Deutsche Messe, Hannover Messe, 2016.

^[2] Vgl. Kagermann, H./Wolf-Dieter, L., Industrie 4.0, 2011.

^[3] Englische Bezeichnung für „Industrie 4.0“.

^[4] Eigene Abbildung in Anlehnung an Google Inc., Trends Suchbegriff Industry 4.0, 2016.

^[5] Vgl. Google Inc., Websuche Google Industry 4.0, 2016.

^[6] Leitthemen der Hannover Messe: „Integrated Industry” (2013), „Integrated Industry – Next Steps” (2014), „Integrated Industry – Join the Network!” (2015), „Integrated Industry – Discover Solutions“ (2016), „Integrated Industry – Creating Value“ (2017) Deutsche Messe, Leitthemen Hannover Messe, 2016.

^[7] Vgl. Roth, A., Einführung, 2016, S. 5.

^[8] IG Metall Redaktion, Wandel der industriellen Arbeit, 2014.

^[9] Schindlbeck, C., Die Arbeit der Zukunft, 2015.

^[10] Seim, C., Industrie 4.0 und die Arbeit von morgen, 2016.

^[11] Siems, D., Digitalisierung verändert viele Berufe, 2016, S. 7.

^[12] Vgl. Statistisches Bundesamt, Klassifikation d. Wirtschaftszweige, 2008, S. 175 ff.

^[13] Die Wirtschaft wird traditionell in einen primären Sektor (Land- und Forstwirtschaft), einen sekundären Sektor (produzierendes Gewerbe) und einen tertiären Sektor (Dienstleistungsbereich) unterteilt vgl. Statistisches Bundesamt, Wirtschaftsbereiche, 2016.

^[14] Vgl. Pollert, A. u. a., Lexikon, 2013.

^[15] Vgl. Statistisches Bundesamt, Gesamtrechnung, 2016.

^[16] Eigene Abbildung und prozentuale Berechnung der Bruttowertschöpfung basierend auf folgenden Daten vgl. Statistisches Bundesamt, Detaillierte Jahresergebnisse, 2016, S. 109 f.

^[17] Vgl. Statistisches Bundesamt, Klassifikation d. Wirtschaftszweige, 2008, S. 78 ff.

^[18] Das nicht verarbeitende Gewerbe umfasst den Bereich Bergbau und Gewinnung von Steinen und Erden sowie den Bereich der Energie- und Wasserversorgung. Eine weitere Differenzierung der Bereiche ist nicht möglich, da die benötigten Daten noch nicht veröffentlicht wurden.

^[19] Vgl. Edler, D./Eickelpasch, A., Dienstleistungsnachfrage, 2013, S. 16 f.

^[20] Berechnung der prozentualen Angaben auf Basis der Daten der Europäische Kommission, Bruttowertschöpfung EU, 2016; vgl. dazu auch Daten-CD.

^[21] Präsident der Deutschen Akademie der Technikwissenschaften (Acatech) vgl. Simhandl, K., Vorstand der Akademie, 2016.

^[22] Kagermann, H., Produktionsstandort Deutschland, 2013, S. 49.

^[23] Vgl. Statistisches Bundesamt, Lange Reihen ab 1970, 2016, S. 68.

^[24] Nach dem Inlandskonzept werden alle Personen erfasst, die ihren Wohn- und Arbeitsort in Deutschland haben zzgl. der Einpendler aus dem Ausland nach Deutschland vgl. Statistisches Bundesamt, Detaillierte Jahresergebnisse, 2016, S. 26.

^[25] Schubert, K./Klein, M., Politiklexikon, 2015, S. 112.

^[26] Für weitere Informationen vgl. Obermaier, R., Industrie 4.0, 2016, S. 3 ff.

^[27] Enthalten in: Promotorengruppe Kommunikation der Forschungsunion Wirtschaft – Wissenschaft, Umsetzungsempfehlung, 2013, S. 17.

^[28] Vgl. Bremm, K.-J., Zeitalter der Industrialisierung, 2014, S. 15.

^[29] Vgl. ebenda, S. 156 ff.

^[30] Vgl. Liedtke, R., Industrielle Revolution, 2012, S. 58 ff.

^[31] Vgl. Siepmann, D., Struktur und Historie, 2016, S. 19.

^[32] Vgl. Schwarzbach, M., Industrie 4.0: Zukunft der Arbeit, 2016, S. 12 f.

^[33] Leiter der Abteilung „Schlüsseltechnologien“ im Bundesministerium für Bildung und Forschung vgl. Bundesministerium für Bildung und Forschung, Organisationsplan, 2016, S. 1.

^[34] Professor für Informatik an der Universität des Saarlandes und Hauptgeschäftsführer des Deutschen Forschungszentrums für Künstliche Intelligenz (DFKI) in Kaiserslautern vgl. Deutsches Forschungszentrum für Künstliche Intelligenz, Lebenslauf Wahlster, 2016.

^[35] Vgl. Wahlster, W./Beste, D., Hermes Award, 2016, S. 1.

^[36] Roth, A., Einführung, 2016, S. 5.

^[37] Vgl. Kreutzer, R. u. a., Dematerialisierung, 2015, S. 159.

^[38] Der Arbeitskreis Industrie 4.0 wurde durch die Forschungsunion Wirtschaft-Wissenschaft des BMBF gegründet. Ziel des Arbeitskreises war es eine erste Umsetzungsempfehlung für das Zukunftsprojekt Industrie 4.0 auszusprechen vgl. Promotorengruppe Kommunikation der Forschungsunion Wirtschaft – Wissenschaft, Umsetzungsempfehlung, 2013, S. 13 f.

^[39] Promotorengruppe Kommunikation der Forschungsunion Wirtschaft – Wissenschaft, Umsetzungsempfehlung, 2013, S. 24.

^[40] „Inhaber des Lehrstuhls Unternehmenssteuerung und Leiter des Forschungsbereichs “Enterprise Performance Management & Business Intelligence” im Studiengang Wirtschaftsinformatik der Hochschule Reutlingen sowie Senior Partner der Braincourt GmbH, Managementberatung & Informationssysteme in Leinfelden-Echterdingen.“Roth, A., Einführung, 2016, S. 15.

^[41] Roth, A., Einführung, 2016, S. 6.

^[42] Vgl. Siepmann, D., Struktur und Historie, 2016, S. 22.

^[43] Eigene Abbildung in Anlehnung an Siepmann, D., Struktur und Historie, 2016, S. 22.

^[44] Promotorengruppe Kommunikation der Forschungsunion Wirtschaft – Wissenschaft, Umsetzungsempfehlung, 2013, S. 87.

^[45] Vgl. Siepmann, D., Struktur und Historie, 2016, S. 24 f.

^[46] Vgl. Markgraf, D., Definition Hardware, 2016.

^[47] Vgl. Siepermann, M., Definition Software, 2016.

^[48] Vgl. Siepmann, D., Struktur und Historie, 2016, S. 23.

^[49] Vgl. Promotorengruppe Kommunikation der Forschungsunion Wirtschaft – Wissenschaft, Umsetzungsempfehlung, 2013, S. 23.

^[50] Vgl. Philips GmbH Market DACH, Hue White Ambiance, 2016.

^[51] Vgl. Heinze GmbH, Heizkörper-Thermostate, 2016.

^[52] Vgl. Procter & Gamble Service GmbH, Zahnbürsten SmartSeries, 2016.

^[53] Vgl. van der Meulen, R., Newsroom, 2016.

^[54] Vgl. Promotorengruppe Kommunikation der Forschungsunion Wirtschaft – Wissenschaft, Umsetzungsempfehlung, 2013, S. 85.

^[55] Vgl. Siepmann, D., Struktur und Historie, 2016, S. 26.

^[56] Vgl. Siepmann, D., Struktur und Historie, 2016, S. 23.

^[57] Promotorengruppe Kommunikation der Forschungsunion Wirtschaft – Wissenschaft, Umsetzungsempfehlung, 2013, S. 84.

^[58] Ebenda, S. 84.

^[59] Vgl. ebenda, S. 84.

^[60] Geschäftsführer der T-Systems International GmbH, eine 100-prozentige Tochter der Deutschen Telekom AG vgl. Voland, R., Geschäftsführung T-Systems, 2016.

^[61] Abolhassan, F., Cloud als Motor, 2016, S. 15.

^[62] Vgl. Geisberger, E./Broy, M., agendaCPS, 2012, S. 7.

^[63] Vgl. Geisberger, E./Broy, M., agendaCPS, 2012, S. 244.

^[64] Vgl. Bundesministerium für Bildung und Forschung, Innovationen, 2015, S. 42.

^[65] Enthalten in: Geisberger, E./Broy, M., agendaCPS, 2012, S. 33.

^[66] Vgl. ebenda, S. 9.

^[67] Vgl. Siepmann, D., Struktur und Historie, 2016, S. 23.

^[68] Vgl. Wahlster, W./Beste, D., Hermes Award, 2016, S. 5.

^[69] Enthalten in: Koch, V. u. a., PwC: Studie Industrie 4.0, 2014, S. 17.

^[70] Siepmann, D., Fünf Paradigmen, 2016, S. 37.

^[71] Vgl. Koch, V. u. a., PwC: Studie Industrie 4.0, 2014, S. 18.

^[72] Vgl. Siepmann, D., Fünf Paradigmen, 2016, S. 38.

^[73] Vgl. ebenda, S. 41 f.

^[74] Vgl. Kapp, R./Constantinescu, C., Digitales Engineering, S. 9 ff.

^[75] Vgl. Roth, A., Einführung, 2016, S. 7.

^[76] Vgl. Promotorengruppe Kommunikation der Forschungsunion Wirtschaft – Wissenschaft, Umsetzungsempfehlung, 2013, S. 23; vgl. dazu auch Roth, A., Einführung, 2016, S. 19.

^[77] Vgl. abas Software AG, Revolution Einzelfertigung, 2016.