Sensoren, Umwelt und das Internet der Dinge (IoT)

Jacob Morgan hat einmal gesagt: „Alles, was sich vernetzen lässt, wird auch vernetzt werden.“ Dem kann man aus heutiger Sicht durchaus zustimmen. Vor nicht allzu langer Zeit lagen die Dinge aber ganz anders. Viele Menschen hielten Trends wie Cloud-Computing und Big Data noch für einen „Hype“, der sich bald in Luft auflösen würde. Mittlerweile konnten wir nun alle erleben, welche dramatischen Auswirkungen diese beiden Schlüsseltechnologien auf Unternehmen unterschiedlichster Branchen haben. Aber die Geschichte tendiert nun mal dazu, sich zu wiederholen – und so stellen sich heute wiederum viele die Frage, ob das IoT nicht vielleicht doch nur ein kurzlebiger „Hype“ sein könnte. Nun, Hype ist ganz gewiss nicht das Wort, das ich verwenden würde, um einen Trend bzw. eine Technologie zu beschreiben, die das Zeug dazu hat, die Welt, wie wir sie kennen, von Grund auf zu verändern.

2006 erforschte ich die Nutzbarkeit von RFID. Damals stellten wir eine Möglichkeit vor, um chaotisch abgelegte Bürodokumente mithilfe einer automatisierten Technologie für die Strukturierung und Nachverfolgung zu organisieren. Ich veröffentlichte seinerzeit eine Arbeit zu dem Thema mit dem Titel: „Document Tracking and Collaboration Support using RFID“. So kam ich über die Maschine-Maschine-Interaktion (M2M) und die anschließende Integration in kollaborative Umgebungen erstmals mit Sensoren in Kontakt, was mich dann ziemlich nahtlos ins Subnet of Things führte. Die damals entstandenen Ideen, wie Smart Homes, Smart Cars und Smart Cities sind heute längst Realität. Laut IDC werden bis 2020 28 Milliarden Sensoren im Einsatz sein und einen wirtschaftlichen Wert von 1,7 Bio. US$ ausmachen. Bevor wir gleich in entsprechende Anwendungsszenarien eintauchen, lassen Sie uns erst einen Blick auf die Einsatzbereiche von Sensorkommunikation und die drei Gruppen werfen, in die sie unterteilt ist.

M2M

Die Maschine-Maschine-Interaktion unterscheidet sich vom IoT in Umfang und Domain. Normalerweise sind beide nur begrenzt verfügbar und werden durch vordefinierte, datenbasierte betriebliche Einschränkungen definiert. Ein passendes Beispiel wären Produktionseinheiten und deren Kommunikation mit verschiedenen integrierten Sensoren. Ein präziseres Beispiel wäre der Temperaturfühler einer Fahrzeugheizung. Er hat eine klar umrissene Aufgabe und ist in seiner Wirkung auf ein Fahrzeug beschränkt.

SoT

Die SoTs (Subnets of Things) beziehen auch Unternehmen und Organisationen mit ein. So wie im obigen Beispiel jede Datei oder jedes Buch mit RFIDs versehen sind, könnten sich SoTs in Unternehmen finden, die kollaborative Plattformen nutzen. So könnte beispielsweise ein Auto Qualitäts- und Materialdaten an den Hersteller übermitteln, um so die Produktion zu optimieren und ein reproduzierbares Kundenerlebnis zu gewährleisten.

IoT

2013 definierte die Global Standards Initiative on Internet of Things (IoT-GSI) das IoT als „die Infrastruktur der Informationsgesellschaft“. Das Internet der Dinge (IoT) ist ein System miteinander verbundener Computer, mechanischer und digitaler Maschinen, Objekte sowie Tiere oder Menschen, die mit einer individuellen Kennung versehen und in der Lage sind, ohne Mensch-Mensch- bzw. Mensch-Maschine-Interaktion Daten über ein Netzwerk zu übertragen. Entstanden ist das IoT aus der Konvergenz von Wireless-Technologien, mikroelektromechanischer Systeme (MEMS), Mikroservices und dem Internet.

Sensoren, Datentypen und Netzwerkherausforderungen

In San Francisco traf ich vor einiger Zeit den bei SAP fürs IoT zuständigen F&E-Leiter. Es war sehr interessant, von ihm zu erfahren, in welchem Umfang Big Data bereits heute unser Leben prägt. So erwähnte er unter anderem, dass die mit Tausenden von Sensoren versehenen Systeme an Bord eines Flugzeugs im Bruchteil einer Sekunde Berechnungen mit 8 bis 16 Dezimalstellen ausführen müssen. Sensoren versorgen uns heute mit derart vielen Daten, dass Unternehmen eigentlich in der Lage sein sollten, in Echtzeit wertvolle Erkenntnisse aus Big Data zu gewinnen. Aber da spielt unsere gegenwärtige Technologieinfrastruktur leider meist nicht mit.

IT-Entscheider sollten sich für Infrastrukturen und Lösungen entscheiden, die mit „angestauten“ Daten zurecht kommen – also Daten, die im System verbleiben, weil z. B. kein Telekom-Netzwerk verfügbar ist oder Störungen die Verbindung verhindern. Das System sollten dann in der Lage sein, die Daten quasi auf Standby zu halten, bis ein Netzwerk verfügbar und der Datentransfer möglich ist.

Sensordaten unterscheiden sich nicht von anderen Daten, die aus verschiedenen Quellen eingehen und bereinigt, analysiert und strukturiert werden müssen. Aber sie verfügen auch über einige besondere Merkmale. Normalerweise sind Sensordaten ein Datenstrom (Werte), der mit der Zeit abgeglichen wird. Nicht alle Daten sind bedeutsam, aber man kann nicht einfach bestimmte Informationen löschen, da theoretisch alle Daten wichtig sind, auch wenn das zum Zeitpunkt der Erfassung noch nicht klar ist. Deshalb sollte man auch keine halbgaren oder fragwürdigen Algorithmen für die Datenkompression einsetzen. Doch es gibt einige Möglichkeiten, um mit solchen Situationen zurechtzukommen:

  • Gefilterte Daten nur senden, wenn es nötig ist
  • Nur auffällige Werte übertragen
  • Bei der Datenkompression auf unpassende/nicht getestete Algorithmen verzichten

Im weiteren Verlauf unseres Gesprächs sagte er noch etwas sehr Bemerkenswertes: „Schauen Sie sich diesen Raum an. Er generiert irrsinnig viele Daten. Angenommen, hier passiert etwas oder eine Komponente fällt aus … in diesem Fall wären die kurz vor dem Ausfall generierten Daten von größter Bedeutung. Es handelt sich hier um ein komplettes Echosystem, und wenn wir diese Daten verlieren, sind wir nicht in der Lage, in der Zukunft solche Probleme vorherzusagen. Das heißt, unsere einzige Möglichkeit ist es, diese Daten verlustfrei zu komprimieren, um die Kosten im Griff zu behalten (die einzige Alternative, die es dazu gibt, können wir uns nicht leisten). In manchen Fällen duplizieren wir auch die Daten, aber bei der enormen Menge und Frequenz geht auch das in die Kosten. Auf jeden Fall sollten unsere Backend-Systeme in der Lage sein, alle eingehenden Informationen zu bewältigen. Auf Sensorebene können wir verschiedene Kurvenanpassungstechniken einsetzen, wie Fast Fourier Transformation, sodass wir durchgehend aggregierte Werte erhalten. Am besten lassen sich die Sensordaten in preiswerten, skalierbaren Data Lakes speichern. Das ist sinnvoll, da Rohdaten normalerweise nicht ins Data Warehouse gelangen sollten – schließlich kennt man ihren Wert noch nicht, bevor sie nicht bereinigt und geprüft wurden.“

Sensoren verändern unser tägliches Leben

Sensoren wirken sich auf nahezu jeden Lebensbereich aus. Von Bewegungssensoren bis hin zur Steuerung von Produktionsstraßen … alles um uns herum wird von Tag zu Tag smarter. Hier nun einige kurze, grundlegende Beispiele dafür, wie sich das IoT in naher Zukunft auf uns auswirken wird.

Smart Manufacturing

Der globale Produktionssektor hat ein Volumen von 12 Bio. US$ pro Jahr. In der Fertigung transportieren Roboter Materialien von A nach B und jede Bewegung der riesigen High-Speed Servopressen in der Autoproduktion wird von Sensoren kontrolliert. Die industrielle Fertigung ist einer der Motoren der Wirtschaft. Ist man hier in der Lage, aus den verschiedenen Prozessen Daten zu ziehen, kann das helfen, ungeplante Ausfallzeiten zu vermeiden und/oder den Materialbedarf anhand entsprechender Absatzprognosen besser einzuschätzen.

Smart Transport

Die Integration von Sensoren in Fahrzeuge gilt als die nächste Revolution im Bereich der Verbraucherelektronik. Gartner geht davon aus, dass bis 2030 autonome Fahrzeuge in den reiferen Märkten etwa 25 % aller PKW ausmachen werden. Zwar mögen solche selbstfahrenden Autos noch über ein Lenkrad verfügen, um notfalls selbst „in den Lenker greifen zu können“, aber letztlich wird es in diesen Fahrzeugen keine manuell zu betätigenden Schalter und Steuerungen mehr geben. Alle traditionellen Komponenten, wie Gaspedal und Bremse, Gangwahl und Funktionsanzeige werden dann über Sensoren, per Radar oder mittels GPS-Mapping angesteuert, während diverse KI-Anwendungen das Auto selbsttätig fahren, parken und die sicherste Route zum Zielort bestimmen, um Unfälle zu vermeiden. Bei dieser beeindruckenden Technologie wird es aber nicht nur um die Kontrolle einzelner Fahrzeuge gehen, sondern auch um die Kommunikation mit anderen Verkehrsteilnehmern über den Straßenzustand, den Status der anderen Fahrzeuge oder deren Position im Verhältnis zum eigenen Wagen. Die Kommunikation über externe Netzwerke wird parallel dazu internetbasierte Services, wie die Routenplanung, Angaben zum Fahrzeugstatus sowie, basierend auf Versicherungs- und Backup-Daten, die eCall und bCall Nutzung abdecken.

Smart Energy

Moderne Stromnetze gibt es seit Ende des 19. Jahrhunderts. Allerdings waren diese damals extrem zentralisiert und isoliert. Später wurden die Stromnetze dann erweitert und die Verteiler mit Lastausgleichstechnologien ausgestattet, um technisch bedingte Ausfälle (Backup und Wiederherstellung) zu vermeiden. Viele kleine Stromerzeuger, wie Windräder und Solaranlagen, generieren heute je nach Wind- und Wetterlage eine stark schwankende Menge an Elektrizität, während die Verteilernetze mit viel mehr Stromquellen zurechtkommen müssen, da auch Haushalte Elektrizität erzeugen. Das setzt klassische Netze unter Druck und erschwert eine zentralisierte Struktur.

Basierend auf dem Systemzustand, können Energieversorger bestimmen, welche Stromquelle momentan die günstigste ist und kohle- oder ölbasierte Energieerzeuger abschalten, um eine unnötige Produktion und die damit verbundenen Kosten zu vermeiden. Intelligente Stromzähler stellen Stromkunden bereits heute den tatsächlichen Verbrauch in Rechnung. Mit zunehmender Vernetzung könnten diese Sensoren auch in der Lage sein, die jeweils günstigste Energiequelle zu identifizieren.

Smart Homes & Smart Cities

Smart Cities sind eine sehr interessante potenzielle Anwendung des IoT, wobei Smart Homes und Smart Cities miteinander vernetzt sein sollten. Intelligente Städte bieten eine ausgezeichnete Infrastruktur für die Kommunikation und sind ideale Kandidaten, um vom IoT zu profitieren. In Chicago, Rio de Janeiro und Stockholm existieren bereits entsprechende Projekte, bei denen Politik und Privatwirtschaft zusammenarbeiten. So nutzen sie die Fähigkeit des IoT, Daten zur städtischen Infrastruktur zu erfassen, um zu bestimmen, ob bestimmte Reparaturen erforderlich sind (z. B. die Straßenbeleuchtung). Von der Überwachung von Schulbussen, bis hin zur Organisation der Müllabfuhr verändert das IoT unser Zusammenleben.

Der Begriff Smart Home bezeichnet in der Regel Gebäude, deren Geräte, Leuchten, Heizungs- und Klimaanlagen, TV-Geräte, Computer, Audio- und Videosysteme, Alarmanlagen und Kameras miteinander kommunizieren können und die sich per Zeitschaltuhr oder von jedem Ort der Welt aus per Smartphone oder über das Internet steuern lassen. In der nächsten Ausbaustufe des Smart Home könnte sich beispielsweise Ihr Kühlschrank selbst um die Bevorratung kümmern und eigenständig Milch oder Eier nachbestellen, wenn diese zur Neige gehen. Ebenso könnten Geräte eine Unterbrechung in der Strom- und Wasserversorgung oder einen Netzwerkausfall erkennen und beim jeweiligen Anbieter eine Reparatur anfordern. Oder stellen Sie sich vor, Ihre Mülltonne meldet sich automatisch beim Entsorger, um die Leerung zu vereinbaren.

Zusammenfassend würde ich sagen, dass unsere datengetriebene Welt einen Schwenk in Richtung Smart Systems vollzieht. Unsere derzeitige Infrastruktur hat uns geholfen, Herausforderungen mit der Datenerzeugung, -aufnahme und -analyse zu meistern. Nun aber bricht eine neue Ära an. Dass diese nicht nur auf die oben beschriebenen Szenarien beschränkt ist, zeigen zur Gesundheits- und Aktivitätskontrolle genutzte persönliche Körpersensoren, wie z. B. GPS-Chips, die unsere Lebensqualität nachhaltig verbessern. Ich sehe für die kommenden Monate und Jahre jedenfalls einen rasanten Siegeszug des IoT voraus.

Ressourcen zu diesem Thema

http://www.wsj.com/articles/how-u-s-manufacturing-is-about-to-get-smarter-1479068425?mod=e2fb

https://blog.fortinet.com/2016/10/27/driverless-cars-a-new-way-of-life-brings-a-new-cybersecurity-challenge

http://internetofthingsagenda.techtarget.com/definition/Internet-of-Things-IoT

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